计算物理

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弹性板水下爆炸冲击载荷的修正虚拟流体方法分析

许亮, 冯成亮, 刘铁钢

2017, 34(1): 1-9.

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研究非接触水下爆炸中板结构厚度和密度对冲击载荷和空化演变的影响.将近期发展的修正的虚拟流体方法推广应用于处理可压缩流体与弹性板结构的非线性相互作用.研究发现，假设结构不发生断裂破坏，较小的板厚度或密度可以减弱爆炸波对结构的冲击，冲击载荷随着厚度或密度的增大非线性地趋向于固壁边界下的结果.而且较小的板厚度或密度可以促使空化较早形成，产生较大的空化区，并推迟和减弱空化破裂对结构的二次冲击.

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块结构自适应网格上任意区域和任意界面的数值积分

徐建军, 史卫东, 李兴伟, 舒适

2017, 34(1): 10-18.

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研究块结构自适应网格上计算任意界面上和任意区域内的数值积分方法，其中任意界面和任意区域通过一个水平集函数表示.首先介绍在一致网格上任意界面上和任意区域内的数值积分方法.然后，将该方法推广到块结构的自适应网格上.数值算例表明，自适应网格方法有二阶精度.同一致网格方法相比，自适应网格方法显著地减少了计算机存储量的需求.

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三维非匹配网格上的扩散方程数值求解

郭少冬, 章明宇, 周海兵, 熊俊, 张树道

2017, 34(1): 19-28.

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将子网格剖分的支撑算子方法，拓展应用于三维非匹配网格上的扩散方程求解.算例表明该方法在正交非匹配网格上能够精确获得线性解；在一般非匹配网格上可以达到二阶精度；在求解曲面网格和节点不共面网格时，精度比平面近似的方法要高，也可以达到2阶精度，同时也适合求解含有物质界面的混合介质网格.

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SPH核函数光滑长度最优选取和自适应准则研究

赵亚洲, 马智博

2017, 34(1): 29-38.

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基于小波分析理论和RKPM再生核函数研究无网格方法SPH中多尺度诊断工具，多尺度再生核函数使得数值计算在不同尺度上的响应分离，并通过动态伸缩窗函数给出计算域不同位置的时频特性，实现在无网格体系下构造网格计算方法的“自适应网格”，从而达到对不同流场位置多分辨率分析的目的.利用多尺度诊断工具中的小波分解算法给出SPH核函数在频域内能量残差估计，发展一种核函数光滑长度最优选取准则.最后，基于可压缩流场激波稀疏波共存的现象，针对传统的光滑长度自适应的缺陷，构造一种避免数值计算“拖尾”现象的自适应准则.

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多孔介质方腔内混合对流格子Boltzmann模拟

王婷婷, 高强, 陈建, 徐洪涛, 杨茉

2017, 34(1): 39-46.

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采用格子Boltzmann方法，对多孔介质方腔内的混合对流现象进行研究.方腔内部中心有一发热圆，径宽比D/L=0.4，冷流体从方腔左下角入口流进，从方腔左上角出口流出，四周壁面绝热.在普朗特数Pr=0.71和格拉晓夫数Gr=1.4×10⁴时，分析理查德森数Ri和达西数Da对发热圆表面平均努赛尔数Nu的影响.结果表明：Ri数位于10^-3~10范围内，Nu随Ri的增大而减小.Da越大，Ri对Nu的影响越显著；Da数位于10^-5~10^-2范围内，强制对流占主导的情况下（Ri≤0.1），Nu随着多孔介质的Da的增大而增大.自然对流占主导的情况下（Ri=10），Nu对Da的变化不敏感.

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基于JASMIN框架的区域大气模式并行程序开发及试验

徐幼平, 程煜峰, 王斌, 郭红, 普业, 程锐

2017, 34(1): 47-60.

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以自主研制的区域中尺度暴雨大气模式为研究对象，基于JASMIN并行编程框架，建立构件化、层次化的区域大气模式大规模高效并行程序，并针对典型天气实例，对模式并行计算程序的正确性、并行性能及高分辨率模拟效果进行验证.结果证明，基于JASMIN框架的新模式程序与原串行模式具有很好的计算一致性，其不仅能保持原有模式良好的预报效果，且能显著提升模式大规模并行计算性能和可扩展性，在进一步提高模式分辨率后能得到更好的预报结果.

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基于等几何分析的边界元法求解Helmholtz问题

王现辉, 乔慧, 张小明, 谷金良

2017, 34(1): 61-66.

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将基于一类局部双变量B样条函数的等几何分析方法和Burton-Miller方法相结合，分析三维Helmholtz问题.对于某些从二维参数域映射到三维空间具有奇异点的参数曲面，该方法可以有效地避免奇异点处大量奇异与近奇异积分的计算.数值算例表明该方法具有较好的计算精度和计算效率.复杂问题的分析表明，该方法具有良好的工程应用前景.

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蒙特卡罗区域分解并行计算中确保串并行结果一致的伪随机数应用

李刚, 张宝印, 邓力, 上官丹骅, 李瑞, 马彦, 付元光, 胡小利

2017, 34(1): 67-72.

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物理建模的精细化和三维模拟给蒙特卡罗粒子输运计算的规模成千上万倍的增加，甚至超过单核内存的最大规模，仅仅依靠传统的粒子并行蒙特卡罗计算无法实现对模型模拟，区域分解并行是可能的解决方法之一.然而区域分解带来了粒子在各区域间进行迁移，导致现有的伪随机数应用方式无法确保串行计算和并行计算的结果一致.针对这种现象，本文提出赋予粒子随机数属性和动态派生次级粒子随机数的技巧来确保区域分解并行计算的串并行结果一致.

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反应堆²³⁵U裂变源辐射防护材料的优化设计

杨师俨, 何曼丽, 蒋丹枫, 王国辉, 苑超, 戴耀东

2017, 34(1): 73-81.

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以热中子反应堆²³⁵U裂变源为辐射源，利用MCNP程序对其能谱进行模拟并研究其辐射防护，结果表明对²³⁵U裂变源所发射的能量高于3MeV的瞬发中子，重金属具有良好的屏蔽效果，而对于能量低于1MeV的中子，轻氢材料的防护效果更好；W/LiH，W/B₄C，TiH₂/W三种复合材料当质量比满足：W：LiH=19：1，W：B₄C=9：1，W：TiH₂=3：1时材料的屏蔽效果最佳；通过遗传算法结合MCNP模拟，得到W/TiH₂/B₄C，TiH₂/Cu/Gd，TiH₂/B₄C/Gd三种复合材料的最优组分配比，源每次裂变产生的粒子穿过这三种材料后在等效组织中造成的剂量当量率（10^-11Sv·h^-1）与材料厚度呈指数下降关系，三种材料分别可近似为1.071exp（-0.187 8x），1.077exp（-0.166 2x）和1.608exp（-0.171 9x），x为材料厚度（cm）.

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一种乳腺癌检测的改进微波共焦成像方法

刘广东

2017, 34(1): 82-88.

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尝试引入因媒质不均匀而产生的折射效应，改进原有算法.共焦过程选用鲁棒的Capon波束成形（RCB）算法.乳房模型选用较为简单的三维（3-D）半球，为了更好地描述人体组织电参数的色散特性，各组织建模为多极柯尔-柯尔（Cole-Cole）媒质.在超宽带（UWB）平面波激励下，利用时域有限差分（FDTD）法模拟电波传播.数值应用中，乳房植入两个半径3 mm球状肿瘤，分别应用原有微波共焦成像方法和改进方法检测乳腺肿瘤.仿真结果对比显示：改进方法在复杂度略微增加的同时，提高了计算精度.

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四方、单斜和正交Ge₃N₄的结构、电子结构和热力学性质

姚晓玲, 陈东

2017, 34(1): 89-98.

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数值计算了四方、单斜和正交结构Ge₃N₄的点阵常数、晶胞体积、弹性模量、维氏硬度和态密度.计算结果与已有的实验数据和理论值符合得很好.形成焓为负、晶格形变和晶胞体积随压强呈线性变化，表明三种相在0~20 GPa压强范围内可以保持结构稳定.态密度研究表明三种氮化锗内部存在强烈的s-p杂化.三种相都属于脆性半导体材料，具备各向异性且硬度适中.采用包含原子振动和非谐效应的准谐波近似方案，研究材料的热力学性质，发现压强对赫姆霍兹自由能和内能有显著影响.结果为进一步理解氮化锗三种新结构的电子结构和热力学性质提供初步的物理图像.

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Cu与非金属双受主能级协同作用对TiO₂光学特性的影响

陈小雨, 冯庆, 周晴

2017, 34(1): 99-108.

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采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势方法，研究纯锐钛矿相TiO₂在3d金属杂质Cu与非金属杂质C、N、F单掺及共掺情况下受主能级的协同作用.模拟计算掺杂前后的晶体结构、结合能、缺陷形成能、能带结构、分态密度及光学性质.结果发现：Cu-N共掺杂体系和Cu、N单掺杂体系对可见光的利用比其它体系好.Cu-N共掺体系与Cu、N分别单掺体系相比，有更小的禁带宽度，且浅受主能级上出现了更大的态密度分布.对光学性质的研究发现，Cu-N共掺体系有最高的吸收系数和反射率，因此，该体系对可见光的利用效果最好.其原因是Cu与N元素分别产生受主能级协同作用导致对可见光的响应效果最理想.

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复杂目标光学散射截面数值仿真方法

岳玉芳, 张飞舟, 邹凯, 陈天江, 张建柱, 谢晓钢, 安建祝

2017, 34(1): 109-118.

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研究复杂目标的几何建模、光学面元消隐和目标表面的光学散射特性.针对任意构型的目标，提出采用均匀光照明仿真图像进行光学散射截面（OCS）数值计算方法.通过自适应Z缓存方法，实现目标光学消隐面的计算，将这部分消隐面面积从目标OCS的数值积分中去除.研究近似镜面材料的空间模板褶皱表面的光学散射数值模拟方法，以及基于激光主动探测系统实验测量数据的目标OCS实验分析方法.根据某缩比例空间目标相对探测系统不同方位、俯仰角情况的OCS实验结果，校正OCS数值仿真参数.仿真结果与实验结果的图像比较和OCS曲线趋势大略一致，考虑到表面褶皱的随机性、姿态的测量误差和仿真模型有限的校准能力等因素，本文提出的数值仿真方法能够在一定程度上描述目标的OCS值.

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飞秒激光参数对非绝热耦合分子态布居的影响

郭玮, 白静, 李月华

2017, 34(1): 119-125.

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利用含时波包法研究强飞秒泵浦-探测激光场中激光脉宽、波长和场强对非绝热耦合NaI分子各态布居的影响.波包在势能面上做周期性运动，周期约为1 000 fs.延时为200 fs时，波包第一次到达交叉区域分裂成两部分.波包在交叉区域的分裂情况影响各态布居.脉宽增长，NaI分子的激发概率增大，而解离概率减小.泵浦波长为共振波长318 nm时，激发概率最大.泵浦波长增长，NaI分子的解离概率减小.泵浦场强增大，激发概率增大，但解离概率不变.探测激光波长和场强不影响NaI分子各态布居分布.调节激光场参数可实现对波包运动的控制从而控制态布居的选择性分布.研究结果为实验上实现分子的光控制过程提供参考.

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