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2020年, 第37卷, 第4期
刊出日期：2020-07-25 上一期    下一期

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基于二阶格式的有限体积保正格式 赵菲, 盛志强, 袁光伟 2020, 37(4): 379-392.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3565KB) ( )   从二阶线性格式出发，通过对法向通量进行重构，得到非线性两点通量，获得四面体网格上的单元中心型有限体积保正格式.该格式适用于求解间断和各向异性扩散系数问题.无需假设辅助未知量非负，避免了辅助未知量计算出负时"遇负置零"的人为处理方式；并且证明该格式在每个非线性Picard迭代步具有强保正性，即当源项和边界条件非负时，线性化格式的非平凡解是严格大于零的.数值算例验证该格式具有二阶收敛性且是保正的.

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一种保持二阶精度的反距离加权空间插值算法 柴国亮, 苏军伟, 王乐 2020, 37(4): 393-402.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3344KB) ( )   针对传统反距离加权（IDW）插值精度较低的缺陷，发展一种高精度插值算法.该插值算法采用迭代亏量校正技术（IDeC）对一次反距离加权插值结果进行修正，通过有限次迭代，理论上将计算精度提高至二阶.在基于结构化网格、非结构化网格的数值验证中，该插值算法的计算精度均保持在二阶左右.应用该算法针对二维圆形和三维球形界面重构时，算法提高了重构界面的光滑度，且计算精度保持为二阶.双层网格插值实验中，算法将速度和压力的绝对误差降低45%以上，得到的压力等值线更接近于初始场.

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三维拉氏理想磁流体数值模拟方法 徐骁, 高志明, 戴自换 2020, 37(4): 403-412.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8849KB) ( )   在Z箍缩驱动ICF过程中，磁场流体耦合作用是其整个物理过程中非常重要的部分.针对Z箍缩过程中多介质、大变形的特点，发展了三维相容拉氏理想磁流体交错型以及单元中心型格式，两种格式均具有一阶时间与空间精度.通过数值算例，验证其精度和强壮性，并比较分析两种格式的特点.

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雷诺数为15 000方腔环流的基准解和周期性分析 詹杰民, 扁诗奇, 罗莹莹, 胡文清, 龚也君 2020, 37(4): 413-421.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(9295KB) ( )   采用边界拟合法，结合基于结构网格的四叉树加密方法生成的高质量非均匀网格，研究雷诺数为15 000方腔环流周期性演化.利用傅里叶分析和相空间轨迹等方法研究流场演化的周期性行为以及流场动能的空间分布，确定周期性流动的基频和相对应的周期.研究发现：流场周期演化过程中，在主涡低频背景下，靠近方腔壁面、左上角、左下角以及右下角的高阶次涡具有高频演化规律.给出流场处于两种特征状态时的流场基准解.

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液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟 高辉, 高瑞峰, 姚孟君, 张道旭, 彭澄宇, 张莹 2020, 37(4): 422-430.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6672KB) ( )   采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.

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不连续冷源布局多孔介质内热流耦合LBM数值模拟 万启坤, 罗松, 尚文强, 张莹, 刘昊天, 朱宝杰 2020, 37(4): 431-438.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(11894KB) ( )   为研究不连续冷源边界对内置发热体多孔介质方腔内传热及流动的影响，采用格子Boltzmann方法对REV尺度下多孔介质方腔内的自然对流进行计算，并研究瑞利数（Ra）、达西数（Da）、孔隙度对多孔介质方腔内传热流动的影响.发现Da对方腔内的流体流型影响很大，Da为10-4时，多孔介质方腔内只有一个涡流，而Da为10-2时，方腔内有两个涡流.增大Ra、Da、孔隙度可以提高冷源壁面的平均努赛尔数（Nu），增强散热效果，孔隙率对平均Nu影响程度和Da的大小有关.当冷源布置在壁面上方，壁面的平均Nu随Ra的增加剧烈变化，方腔处于高Ra条件下时，将冷源布置在边界的上方可以提高散热效果.6种布置方案中Case 6的散热效果最好.

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基于相场方法的孔隙尺度油水两相流体流动模拟 冯其红, 赵蕴昌, 王森, 张以根, 孙业恒, 史树彬 2020, 37(4): 439-447.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(9212KB) ( )   基于真实岩心颗粒粒径分布，利用过程法构建疏松砂岩油藏的三维孔隙结构模型，利用相场方法建立两相流体流动数学模型并利用有限元方法进行求解，研究驱替速度、流体性质、润湿性对剩余油分布以及采出程度的影响.结果表明：驱替速度的增大和油水粘度比的减小会导致较大的毛管数，进而有利于采出程度的提高；就润湿性而言，水湿条件下毛管力是水驱油的动力，而在油湿条件下是阻力，因此水湿岩心采出程度更高.同时，从孔隙尺度对油水渗流机理及剩余油分布机理进行揭示，结果表明：由于多孔介质的复杂孔隙结构，流体在流经不同孔隙时呈现不同的流动特征，进而对油水两相流整体的压力分布、流速分布造成重要影响.

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垂直非结构模型应用于换热网络优化 李万总, 崔国民, 孙涛, 肖媛 2020, 37(4): 448-458.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1150KB) ( )   节点非结构模型优化换热网络时会出现换热器交叉排列的情况，分析发现在相同传热负荷下交叉结构比垂直结构换热单元总传热面积增大，同时明显降低算法的计算效率.基于此，建立垂直非结构模型.与节点非结构模型相比，垂直非结构模型降低了优化过程中的计算复杂度，并且能够消除交叉结构带来的不利影响，有效提升了优化的效率及求解精度.应用两个算例对基于垂直非结构模型的强制进化随机游走算法（RWCE）进行优化性能分析，取得了优于文献的结果.

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高斯波束对界面附近离轴球形粒子的轴向声辐射力 臧雨宸 2020, 37(4): 459-466.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1028KB) ( )   从声波的散射理论出发，利用级数展开法得到高斯波束的波束因子，推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟，与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力的影响.仿真结果表明：边界反射系数的增大会引起声辐射力的增加，但不改变峰值的位置；在合适的频率处，可以产生负向声辐射力；声辐射力随粒子与边界距离呈周期性变化；束腰半径的影响主要体现在中高频；随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大，声辐射力明显衰减.该研究为利用高斯波束实现对粒子的操纵提供理论基础.

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低混杂波高N‖分量对EAST等离子体电流驱动的影响 刘祖光, 李新霞, 杨明 2020, 37(4): 467-472.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3286KB) ( )   EAST等离子体高约束模运行条件下，在等离子体边缘区域观测到明显的等离子体电流带.在EAST托卡马克装置非圆截面平衡位形下，使用射线追踪方法研究低混杂波高平行折射率N‖分量对电流驱动的影响.结果表明：当-8≤N‖≤-6时，平行折射率分量能够在小半径（0.7 < r/a < 1）区域驱动kA量级的等离子体电流.对于具有台基区、等离子体边缘温度更高的电子温度剖面，驱动电流的位置r/a>0.9.低混杂波朗道阻尼的理论分析与数值模拟结果一致.另外，高N‖低混杂波在等离子体边缘的功率沉积和电流驱动与电子温度分布和发射谱分布相关.

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小缺陷铁纳米环的磁特性 邓楚楚, 张鑫源, 陈水源, 吴宇晗, 叶晴莹, 黄志高 2020, 37(4): 473-478.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8907KB) ( )   用蒙特卡罗方法与快速傅里叶变换微磁学相结合的方法模拟小缺陷铁纳米环的磁化动力学.研究发现小缺陷铁纳米环的磁滞回线出现"双稳态"特征，与实验结果一致.能量研究表明：涡旋态出现的区间为能量局域极小区间.缺陷系统的剩磁随着缺陷位置的变化而变化：剩磁随着Y值的增加先增大后减小，并在中间区域保持相对稳定.系统的自旋组态可以解释上述现象.

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C60对细胞膜潜在生物毒性的分子动力学模拟 刘永智, 解立强, 梁盛德, 朱开礼, 席忠红, 袁方强 2020, 37(4): 479-487.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(9572KB) ( )   利用粗粒化分子动力学模拟研究富勒烯C60分子与磷脂双层膜的相互作用.研究其在水溶液中的聚集行为，考察聚集体与磷脂平面双层膜相互作用，发现聚集体可以直接插入磷脂双层膜，而不是内吞或胞饮作用.插入膜过程中会导致磷脂分子的跨膜反转及水分子的跨膜运动.考察C60与囊泡的相互作用，分析C60的浓度对相互作用的影响，并给出实验上因不同的制备方法与过程而产生相互矛盾观察结果的原因，指出C60分子生物毒性的潜在来源.研究结果对此类分子的医学应用具有指导意义.

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硫钒铜矿化合物电子结构和电致变色特性的第一原理研究 李琳, 孙宇璇, 孙伟峰 2020, 37(4): 488-496.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8754KB) ( )   基于密度泛函的第一原理赝势平面波方法，计算晶体结构、电子结构和光学性质，研究硫钒铜矿化合物Cu3VS4、Cu3NbS4和Cu3TaS4的电子输运及电致变色特性，探讨作为透明半导体材料应用于太阳能电池和电致变色器件的可能性.电子结构的计算表明这类化合物是间接带隙半导体，其电子能带的导带底和价带顶分别位于布里渊区的X点和R点.价带顶的电子本征态主要来自于Cu原子的d电子轨道，而导带底电子态主要来源于VB族元素原子的d电子轨道.能带结构、电荷布居分析、电子局域化函数和光吸收及反射谱的计算表明这些硫钒铜矿化合物属于极性共价半导体，具有较高的电荷迁移率和优良的电致变色特性，可应用于高效电致变色器件.

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保守超混沌在数字图像加密中的应用 薛薇, 张永超 2020, 37(4): 497-504.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(17537KB) ( )   基于保守超混沌信号，提出一种数字图像加密算法.该算法利用一个5维保守超混沌系统产生5通道时间序列对原图像分别进行RGB三基色像素级和比特级置乱，再对置乱的RGB三基色作异或操作.在此基础上，利用其中一个通道的时间序列作为密钥分别进行一次正向异或操作的扩散和S盒处理，一次反向异或操作的扩散与S盒处理及置乱，得到加密的图像.最后利用直方图、信息熵、密钥空间等安全性指标对该加密算法进行测试，并与一个五维耗散超混沌系统应用于图像加密的实例进行对比.数值结果表明保守混沌应用到数字图像加密的算法具有更高的安全性和可靠性.