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2017年, 第34卷, 第5期
刊出日期：2017-09-25 上一期    下一期
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专题:超强激光等离子体相互作用的数值模拟    研究论文   

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专题:超强激光等离子体相互作用的数值模拟

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超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法 徐涵, 卓红斌, 杨晓虎, 侯永, 银燕, 刘杰 2017, 34(5): 505-525.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2828KB) ( )   相对论激光等离子体相互作用以及所产生的带电粒子束在高密度等离子体中的输运行为非常重要.该物理问题的数值模拟研究仍面临技术挑战.本文介绍一种粒子/流体混合模拟方法.该方法中超热电子采用动力学方法描述，背景冷的稠密等离子体采用简化的流体方程描述，适合于超热电子密度远小于背景电子密度，超热电子能量远大于背景电子温度.我们的三维并行混合模拟程序HEETS的模拟结果表明：背景材料的电离和电阻率模型至关重要，将严重影响高能电子输运过程的模拟.

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量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究 常恒心, 许铮, 姚伟鹏, 谢雨, 乔宾 2017, 34(5): 526-542.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4769KB) ( )   新一代拍瓦激光装置有望将激光强度提升至1023~1024 W·cm-2，在此极端强场条件下非线性量子电动力学效应对等离子体动力学过程产生重要影响.相对论电子在强电磁场作用下会同步辐射大量伽马光子，当后者穿过超强电磁场时会级联产生正负电子对.与此同时，这些量子电动力学效应也会反作用于激光等离子体相互作用过程，如辐射阻尼严重影响电子运动过程.为了研究这样极端的等离子体动力学，我们介绍最近几年发展的量子电动力学数值模拟模块，并将其耦合到传统的粒子模拟程序中，即量子电动力学-粒子模拟程序.由于大量新辐射的光子和产生的正负电子对会造成模拟粒子数目的不断增加，我们发展了粒子融合技术来减小模拟规模.利用此量子电动力学-粒子模拟程序，我们对极端强场激光物质相互作用以及极端天体物理现象开展了数值模拟研究.

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球坐标动量空间下相对论Vlasov方程的数值算法 张华, 吴思忠, 周沧涛, 何民卿, 蔡洪波, 曹莉华, 朱少平, 贺贤土 2017, 34(5): 543-554.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2635KB) ( )   针对相对论Vlasov方程动量区间跨度大、难以计算的困难，将相对论Vlasov方程在球坐标动量空间中进行数值求解.对相对论Vlasov方程球坐标动量空间构造4阶非分裂守恒型数值格式.数值模拟相对论Landau阻尼问题并与解析理论进行比较，验证数值模型和算法的有效性.对激光等离子体相互作用进行初步模拟分析，表明通过采用球坐标下的动量空间，可在相对较少动量网格情形下，获得与粒子模拟可相互验证的结果.

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电子束能量沉积的相对论Fokker-Planck方程的计算方法 张华, 吴思忠, 周沧涛, 何民卿, 蔡洪波, 曹莉华, 朱少平, 贺贤土 2017, 34(5): 555-562.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1340KB) ( )   针对相对论电子束在高密度等离子体中的能量沉积过程，建立三维动量空间中快电子能量沉积的相对论Fokker-Planck方程的可计算物理模型，构造数值算法并研制数值模拟程序.通过与解析模型和蒙特卡罗模拟相比较，验证数值方法和程序的可靠性.在二维动量空间的模拟基础上，通过计算能量区间为0.5 MeV~3.5 MeV的快电子在背景密度为300 g·cm-3的氘氚等离子体中的能量沉积过程，发现由于碰撞效应使平均散射角趋近平衡，三维动量空间计算快电子连续射程和穿透深度与二维结果基本一致.

研究论文

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面向结构网格自适应并行计算的矩形区域求差集快速算法 刘旭, 徐小文, 张爱清 2017, 34(5): 563-573.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3124KB) ( )   结构网格自适应程序需要使用矩形区域求差集算法计算网格层间数据依赖关系和网格层嵌套关系.原有的矩形区域求差集算法时间复杂度较高，成为该类应用大规模并行计算可扩展性能瓶颈.本文利用分而治之的方法，构造近似线性时间复杂度的矩形区域求差集快速算法，并利用区域分解实现该算法的并行计算.分别针对规则矩形区域和多层自适应网格的非规则矩形区域求差集问题，验证该算法的效率.结果表明，该算法具有近似线性计算复杂度，对于大规模计算问题，加速效果显著.

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爆炸波中的混合不确定度量化方法 梁霄, 王瑞利 2017, 34(5): 574-582.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2648KB) ( )   将认知不确定作为外层，偶然不确定作为内层，利用混合不确定理论处理爆炸波中的不确定度问题.分别使用非嵌入多项式混沌方法（NIPC）和Dempster-Shafer理论处理偶然不确定和认知不确定，用迎风格式求解确定系统.结果表明：NIPC和Dempster-Shafer结构为模型输入参数和初边值不确定性对输出响应量的影响提供一种有效方法，对各种建模与模拟不确定性评估和确认建模与模拟具有很好的参考价值.

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基于LBM的部分热活跃边界下多孔腔体内自然对流换热 孙金丛, 杜鹏, 李培生, 张莹, 李伟 2017, 34(5): 583-592.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5620KB) ( )   采用Boltzmann方法模拟部分热活跃边界下的多孔腔体内自然对流，探讨不同热边界布置方案、孔隙度、Da数及Ra数对其流动传热的影响.数值计算表明：Da=10-4时，腔体内中央出现一个循环流模式，只在Ra数很大时孔隙度才对传热有影响； Da=10-2时，腔体内出现两个循环流，在Ra数很小时孔隙度对传热产生强烈的的影响.热活跃边界位置影响腔体内流体对流传热的强度，加热边界布置在底部、而冷却边界布置在顶部（Bottom-Top布置方式），对多孔腔体内对流传热最有利，优于全热边界布置方式的传热效果.

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采用单元进化限制策略的RWCE算法优化换热网络 朱玉双, 崔国民, 肖媛, 陈家星 2017, 34(5): 593-602.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2898KB) ( )   针对强制进化随机游走算法（RWCE）优化换热网络时后期进化缓慢的不足，提出一种采用单元进化限制策略的改进RWCE算法（RS-RWCE）优化换热网络.通过限制每次迭代个体中参与进化的换热单元数，在保持进化前期年综合费用收敛速度较快的同时，保证进化后期的精细搜索能力.通过对两个经典算例的比较验证，证明改进后的算法应用于换热网络优化问题时兼顾了整型变量与连续变量的优化，使计算效率和精度均得到提高，同时获得了较好的换热网络优化结果.

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中子深度分析反演算法研究 杨鑫, 李润东, 王冠博, 窦海峰, 周刚 2017, 34(5): 603-610.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2777KB) ( )   针对中子深度分析技术，研究几类反演算法：概率迭代法、奇异值分解求解最小二乘法、线性正则化方法及约束线性正则化法.开展相关数值实验，分别在欠定方程、超定方程情况下，对反演算法的结果进行比较.一般情况下几种算法都能得到较为理想的结果，概率迭代法和约束线性正则化法由于有迭代过程，因此在离子源强度发生阶跃处得到的结果并不理想.在超定方程情况下，当选取的反演范围较为随意时，线性正则化方法可能使得解的稳定性较差，而约束线性正则化法能够很好地抑制求解过程中的不稳定性.对实际测量能谱进行反演时，由于能谱有随机误差，线性正则化方法不能很好地抑制误差的影响，反演结果振荡较强，其余方法的结果与参考值符合很好.

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三维声场边界元法几乎奇异积分问题分析 孙锐, 胡宗军, 牛忠荣 2017, 34(5): 611-618.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(937KB) ( )   以三维声场问题为例，提出一种准确计算高阶单元几乎奇异积分的半解析算法.首先分析高阶单元几何特征，构造近似几何量，然后应用扣除法，将奇异积分核函数分解为规则核函数与近似几何量表达的奇异核函数.规则核函数积分采用常规Gauss数值积分计算，奇异核函数积分采用半解析算法计算.给出三维声场内问题和外问题经典算例，计算了近边界点的声压，结果证明本文半解析算法的有效性和准确性.

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Be-CO体系的相互作用势和光谱预测 韩玉龙, 孙辉, 孙金芳, 张云玲, 凤尔银 2017, 34(5): 619-625.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1437KB) ( )   采用单双迭代（包括非迭代三重激发）耦合簇CCSD （T）理论方法和大基组，计算Be-CO体系的相互作用势，得到该体系势能面的解析表达.发现在Re=8.29a0和θe=115.42°处存在的一个全局极小势阱，阱深-69.21 cm-1，势能面呈现较弱的各项异性.根据势能面，计算了体系的束缚态能级和其光谱常数.

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非传统超导PuCoGa5晶体结构和电子性质的密度泛函理论研究 刘涛, 杨子义, 周鸿武, 宁江华, 高涛 2017, 34(5): 626-630.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1339KB) ( )   基于密度泛函理论的全势能线性缀加平面波方法（FLAPW），采用局域自旋密度近似（LSDA）及LSDA+U方法报道了Pu基超导体系PuCoGa5的晶格参数，原子占位和电子性质.LSDA+U方法不仅考虑Pu-5f而且考虑了Co-3d的库伦排斥作用U和Hund交换相关作用J.结果表明LSDA+U在同时考虑Pu和Co的强关联作用时晶格参数和原子占位与相关理论和实验数据吻合较好，特别是PuCoGa5中Pu-5f的强定域特征尤其是自旋向下的电子.此外，Pu-5f与Co-3d电子的轨道杂化明显强于Ga-4p电子.