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2021年, 第38卷, 第1期
刊出日期：2021-01-25 上一期    下一期
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主编寄语 江松 2021, 38(1): 1-1.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(969KB) ( )

主编推荐

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THE NET ADVANCE OF PHYSICS:来自MIT的问候 刘洁 2021, 38(1): 2-4.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5491KB) ( )

研究论文

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磁瑞利-泰勒不稳定性非线性演化数值模拟 曹启伟, 肖德龙, 杨显俊, 王建国 2021, 38(1): 5-15.  DOI: 10. 19596/ j. cnki. 1001-246x. 8237 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10495KB) ( )       基于理想磁流体力学模型，采用5阶WENO有限差分格式结合磁场伪散度清除投影算法，发展二维数值模拟程序，利用线性理论对程序进行检验，在此基础上研究磁瑞利-泰勒（MRT）不稳定性非线性演化物理过程和发展规律。结果表明：垂直于加速度方向磁场在线性和非线性阶段对MRT扰动发展都有较强的制稳作用，而平行于加速度方向磁场在线性阶段对MRT扰动发展影响较小，但在MRT扰动非线性发展阶段会对由于流场变化产生的K-H不稳定性有显著的制稳作用，从而抑制总的扰动发展。在MRT非线性发展过程中，由于波模耦合相互作用，单模演化会产生高次谐波；双模演化会产生除基模和谐波以外的其他波模，其扰动幅度甚至超过基模；多模演化过程中发生逆级联过程，即短波长扰动逐渐向长波长扰动发展。

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移动边界问题的时空域正则区域迭代配点法 王兆清, 钱航, 李金 2021, 38(1): 16-24.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8177 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2787KB) ( )   考虑热传导方程的移动边界问题，其定解区域随着时间而变化。构造一种时空域上的高精度数值算法求解1+1维移动边界问题。在时空域上假设一个初始移动边界位置，构成移动边界问题的不规则计算区域，选择一个适当的正则区域（矩形区域）完全覆盖所计算的不规则区域，在正则区域上利用移动边界约束条件和固定边界条件，采用时空域重心插值配点法求解1+1维扩散方程，得到正则区域上扩散方程数据。采用二维重心插值计算假设移动边界上函数关于时间偏导数的数值，进而利用一维重心插值配点法求解移动界面控制常微分方程，得到新的假设移动界面位置。重复上述流程，最终得到问题的数值解和移动界面的最终位置。通过典型数值算例验证所建立的数值方法的有效性和数值计算精度。

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时变偏微分方程的贝叶斯稀疏识别方法 胡军, 刘全, 倪国喜 2021, 38(1): 25-34.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8189 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2804KB) ( )   在数据驱动的建模中，通过测量或模拟得到时空数据，我们发现基于拉普拉斯先验的贝叶斯稀疏识别方法能有效地恢复时变偏微分方程的稀疏系数。本文将贝叶斯稀疏识别方法运用于各种时变偏微分方程模型（KdV方程、Burgers方程、Kuramoto-Sivashinsky方程、反应-扩散方程、非线性薛定谔方程和纳维-斯托克斯方程）的方程系数恢复，将贝叶斯稀疏恢复结果与PDE-FIND稀疏恢复算法进行比较，证实贝叶斯稀疏识别方法对偏微分方程具有非常强的稀疏恢复能力。同时，研究中发现贝叶斯稀疏方法对噪声更敏感，可以识别更多的附加项。此外，贝叶斯方法可以直接得到稀疏恢复解的误差方差，由此可以直接判定稀疏恢复的效果和可靠性。

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有限深水域中三维频域自由面格林函数及其导数的计算方法 徐潜龙, 李晔 2021, 38(1): 35-46.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8187 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3155KB) ( )   三维频域自由面格林函数及其偏导数的数值计算是海洋结构物水动力分析的难点。本文对有限水深格林函数及其偏导数的数值算法作出两点改进：①对原函数的级数表达式进行变形，提出适用于数值计算的形式，解决高频率情况下级数解的计算失真问题；②对Gauss-Laguerre积分法作出改进，解决高频率大水深情况下积分解的数值溢出问题。计算结果表明：本文提出的改进算法可以有效提高有限水深格林函数及其偏导数的数值精度，对于研究较大吃水的浮体或潜体的高频垂荡问题具有重要意义。

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基于Mie-Grüneisen状态方程的爆轰波运动数值模拟 吴宗铎, 严谨, 宗智, 庞建华, 高云 2021, 38(1): 47-56.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8190 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5995KB) ( )   依据C-J（Chapman-Jouguet）理论，对爆轰问题中的气态爆轰产物和未反应炸药分别考虑不同的参考状态，并根据参考状态选用特定的Mie-Grüneisen状态方程。忽略化学反应过程，爆轰产物厚度为零的前导激波面以界面的形式存在。数值模拟中，爆轰波的演化分为波面传播以及与未反应介质相互作用两个部分。传播过程中，爆轰波的传播速度即恒定的爆速，爆轰产物在传播过程中瞬间形成，而相互作用过程则是通过Mie-Grüneisen多介质混合模型来计算爆轰波的持续冲击作用。借助于Mie-Grüneisen状态方程以及Mie-Grüneisen多介质混合模型，可以很好地模拟爆轰波的运动过程。对比理论参数及文献的计算结果发现，模拟结果具备较好的准确度。

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格子Boltzmann方法模拟填充纳米流体三角形腔内的自然对流 袁俊杰, 叶欣, 单彦广 2021, 38(1): 57-68.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8170 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(14587KB) ( )   采用格子Boltzmann方法研究填充水-氧化铝纳米流体的等腰直角三角形腔体中的自然对流。讨论瑞利数、颗粒体积分数、热源位置等因素对对流换热的影响，以及不同纳米流体模型对模拟结果的影响。结果表明：在低瑞利数下，随着热源在左壁面向上移动，换热效率逐渐增加。而在高瑞利数（Ra=106）时，观察到相反的现象；采用单相纳米流体模型，模拟表明热壁面平均努塞尔数比率随着体积分数的增加近似线性增加。采用改进的纳米流体模型，结果显示平均努塞尔数比率随着体积分数的增加而增大，但是平均努塞尔数比率的变化斜率逐渐减小。改进模型模拟的换热效率比单相模型高，这是因为改进模型考虑了粒子间作用力及换热，更符合实际情况。

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活性炭吸附甲醛的格子Boltzmann模拟 冯玲玲, 徐洪涛, 王迪, 罗祝清 2021, 38(1): 69-78.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8185 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(23161KB) ( )   基于孔隙尺度，结合活性炭与甲醛的真实物性参数，利用格子Boltzmann方法，选取热质耦合的LBGK模型对填充有球形活性炭的方腔内部双扩散混合对流、流固共轭传热及吸附特性进行数值模拟。分别采用二维D2Q9模型描述速度温度场，D2Q5模型描述浓度场，研究活性炭颗粒直径、孔隙率以及颗粒的排列方式对整个动态吸附性能的影响。结果表明：在孔隙率为0.85时，随着颗粒直径的增大，活性炭吸附甲醛的速率减小，达到饱和吸附状态所需的时间增长；当直径为0.43 mm时活性炭的吸附速率最大，达到饱和状态的时间最短；活性炭颗粒的吸附速率与达到吸附饱和所需的时间几乎与孔隙率无关；与活性炭颗粒的错列与顺列排列方式相比，随机且不粘连排列方式的动态吸附性能更好。

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加权差分进化算法应用于换热网络综合 瞿悦呈, 陈家星, 崔国民 2021, 38(1): 79-88.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8182 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1167KB) ( )   针对差分进化算法应用于换热网络受控制参数影响和后期种群多样性丧失进化乏力的不足，引入加权差分进化算法提升优化性能，算法的有效性已经在连续变量优化得到证明。本研究将其引入属于混合整型变量的换热网络综合，实现差分进化算法无控制参数调节。使用三个小到中等规模网络算例进行验证，其中两个算例取得目前公开文献最优年综合费用。通过建立等效缩放因子并考察其取值分布规律，探究加权差分进化算法的优化机理，为算法改进提供参考。

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保护有效结构的整型/连续变量分离优化策略改进RWCE算法 张丁太, 崔国民, 李万总, 徐玥 2021, 38(1): 89-98.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8188 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3710KB) ( )   强制进化随机游走算法优化换热网络时，连续变量进化阶段产生年综合费用更低的结构会被整型变量进化操作所破坏，导致连续变量进化后形成的结构未能充分发挥优势，制约了连续变量进化。本文提出保护有效结构的整型/连续变量分离优化策略，将连续变量进化与整型变量进化两个阶段的结构费用分别进行判断，从而保护具有发展潜力的结构，使年综合费用进一步降低。通过算例研究，取得优于文献的结果，并有效提升了算法计算精度，验证了策略的有效性。

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抛物槽式太阳能集热器内合成油基纳米流体传热特性的数值模拟 周璐, 马红和 2021, 38(1): 99-105.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8183 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5049KB) ( )   对Al2O3-合成油纳米流体在槽式太阳能集热管内的传热特性进行流体动力学数值模拟，重点考察纳米流体导热系数模型的影响。通过与管内Nusselt数半经验模型的预测结果对比，表明使用考虑布朗运动的纳米流体导热系数模型可较好地预测集热管内传热特性。研究表明纳米颗粒与流体基液的相对运动具有促进集热管内传热的作用。最后，定量研究纳米颗粒添加量对提高基础流体平均传热系数的影响，显示纳米流体在太阳能集热器中具有巨大应用潜力。

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重费米子超导PuMGa5(M=Co,Rh)结构、电子和热力学性质的第一性原理研究 刘涛, 杨子义, 陈雨青, 高涛 2021, 38(1): 106-112.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8178 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3588KB) ( )   基于第一性原理的PBEsol+U方法研究PuCoGa5和PuRhGa5的晶体结构、弹性、电子性质、声子谱以及热力学性质。PBEsol+U方法考虑Pu-5f的库伦排斥作用U和Hund交换相关作用J。计算结果表明，PuCoGa5和PuRhGa5在PBEsol+U方法下的基态性质（包括晶格参数和原子占位）与实验数据吻合较好，且力学判据和声子谱均表明在零温和零压条件下PuCoGa5和PuRhGa5的基态结构是稳定的；特别地，PuRhGa5的5f电子在费米能级附近的定域性明显强于PuCoGa5，这可能是PuCoGa5的超导临界转变温度高于PuRhGa5的重要原因。此外，还研究了PuCoGa5与PuRhGa5的赫姆霍兹自由能、熵、内能和等容摩尔热容随温度的变化。

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谐振子势与高斯势联合势阱中玻色爱因斯坦凝聚体的巨涡旋态 王书松, 张素英 2021, 38(1): 113-119.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8174 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5530KB) ( )   研究谐振子势与高斯势联合势阱中玻色爱因斯坦凝聚体的基态。发现凝聚体形成巨涡旋时，其涡旋个数等于平均角动量，且凝聚体密度分布和角动量密度分布相同，进而得到凝聚体形成巨涡旋时所处基态是角动量的本征态。发现势阱从各向同性的环形势阱逐渐变为各向异性的环形势阱的过程中，凝聚体的平均角动量与涡旋个数之比先由1平缓下降，然后迅速下降，最后保持在0.5附近。同时给出凝聚体密度分布和角动量分布的特征，并作出相应解释。

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偶极相互作用对自旋轨道耦合自旋-1凝聚体中磁畴分布的影响 李玉山 2021, 38(1): 120-126.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8203 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1848KB) ( )   研究准一维简谐势阱中存在自旋轨道耦合（SOC）的自旋-1偶极玻色-爱因斯坦凝聚体，数值求解旋量Gross-Pitaevskii方程，给出磁畴的分布。计算结果表明：磁畴结构与偶极-偶极相互作用（DDIs）密切相关，随着自旋轨道耦合强度和磁化强度的增强，原来的空间对称分布被破坏，随之出现新的分布模式。