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2021年, 第38卷, 第2期
刊出日期：2021-03-25 上一期    下一期
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一种解释世界的语言:《物理世界的数学奇迹》书评 郭柏灵 2021, 38(2): 127-130.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8800KB) ( )

研究论文

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系统级封装应用中时谐Maxwell方程大规模计算的求解算法:现状与挑战 胡少亮, 徐小文, 郑宇腾, 赵振国, 王卫杰, 徐然, 安恒斌, 莫则尧 2021, 38(2): 131-145.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8231 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3944KB) ( )   系统级封装（SiP）是当前电子学系统设计的主流技术途径，数值模拟是进行系统级封装（SiP）设计的主要手段。由于系统级封装应用特有的复杂性，现有的求解时谐Maxwell方程离散系统的算法面临很大的挑战，成为制约该类应用大规模数值模拟效率的瓶颈。本文综述系统级封装应用时谐Maxwell方程解法器求解算法，针对典型实际模型，评估现有算法的现状和面临的挑战，分析应用特征对算法计算能力的影响，并在现有算法的基础上提出一种可行的预条件算法策略。

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强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟 李康, 李守先, 刘娜 2021, 38(2): 146-152.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8230 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6172KB) ( )   提出一种自适应网格方法，应用于基于Euler方法的强爆炸辐射流体高精度数值求解。通过与Zinn数值结果对比，验证该方法的正确性。研究自适应网格对冲击波和光辐射输出模拟精度的影响，对比不同网格尺度下的计算耗时。在相同的条件下，使用自适应网格与均匀网格加密3倍得到的冲击波超压分布、光辐射输出演化接近，计算效率提升约8.5倍。由此可知，提出的自适应网格方法可用于强爆炸问题的高精度数值模拟，显著地提升模拟精度和模拟效率。

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多流管网格上九点格式的节点插值方法 徐金景, 袁光伟 2021, 38(2): 153-164.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8212 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2026KB) ( )   多流管方法是二维多介质辐射流体力学数值模拟中一类常用的求解方法，它采用Lagrange-Euler混合型四边形网格，称为多流管网格。通常其网格品质高于一般的四边形网格。在这类网格上，可以利用网格特性对九点扩散格式中的节点插值方法进行改进。本文利用调和平均点和梯度离散构造的方法提出几种节点插值方法。并给出数值实验，说明现有应用程序中的节点插值方法损失精度，而新的节点插值方法能够使得九点格式在多流管网格上具有二阶精度。

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基于平面通量展开的三维Pin by Pin输运SP3计算 李志勇 2021, 38(2): 165-170.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8221 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(759KB) ( )   基于Pin by Pin输运SP3计算是下一代反应堆物理计算方法中一个重要的研究方向。节块法一般采用高阶通量和中子源展开以适应较大的节块尺寸，因此对于Pin by Pin计算来说效率偏低。由于反应堆堆芯不均匀性更多发生在径向，本文提出一种径向基于二维平面通量展开结合轴向常规节块法的综合方法进行三维Pin by Pin输运SP3计算，其三个方向的节块耦合迭代均采用基于中子净流耦合的格式。通过IAEA 2D/3D基准问题和典型输运基准问题计算，验证该计算方法对于堆芯扩散计算和输运计算的正确性和可行性。

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局部间断Petrov-Galerkin方法在大气污染模型中的应用 张欣, 赵国忠, 李宏 2021, 38(2): 171-182.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8192 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4662KB) ( )   构造数值模拟两类大气污染模型的局部间断Petrov-Galerkin方法。首先通过变量代换将大气污染模型方程转化为与之等价的一阶微分方程组，再利用间断Petrov-Galerkin方法求解微分方程组。该方法既可以选取不同的检验函数和试探函数空间，又可以保持间断Petrov-Galerkin方法的优势。同局部间断有限元方法相比，该方法的计算公式较为简便，数值算例表明该方法具有三阶精度。与有限体积元方法相比，该方法具有较小的误差。本算法可为大气污染模型的数值模拟提供实用工具。

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气-固界面作用物理模型的确定性实现方法 高媛, 梁腾飞 2021, 38(2): 183-191.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8207 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5402KB) ( )   针对最新发展的气-固界面作用物理模型，提出一种确定性计算方法。算法的核心是：针对离散速度空间分布函数，采用确定性算法计算出单轮气-固碰撞作用的散射核函数矩阵，并通过考虑吸引势阱作用和迭代累加多次气-固碰撞作用，物理地反映气体分子入射/反射速度分布函数在气-固界面上的变化。与现有基于Monte Carlo随机采样的实现方法对比，该确定性实现方法可以快速且准确地计算边界上气体分子入射/反射速度分布函数的映射关系。因此，该方法可为以离散速度空间为基础的稀薄气体流动模拟方法提供先进的边界条件。

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强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现 范宣华, 王柯颖, 肖世富, 陈璞 2021, 38(2): 192-198.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8208 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2911KB) ( )   以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景，从自由体模态分析入手，考虑脉动压力之间的强相关性，建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论，完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现，通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究。研究表明：飞行器再入过程的刚体运动对结构在低频段的响应影响显著，甚至起到主导作用，越靠近零频附近，这种影响越大；在中高频段，弹性响应逐渐占据主导地位。基于自主研发形成的随机振动分析模块可以较好地模拟飞行器再入过程脉动压力诱导的随机振动响应，具备超大规模并行计算能力。

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电流驱动凹槽磁纳米带内斯格明子的移动特性 张光富, 张赛文, 邓杨保, 熊翠秀, 谭伟石 2021, 38(2): 199-205.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8234 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3843KB) ( )   基于微磁学理论和模拟研究电流驱动的斯格明子的移动特性。相对于纳米带，凹槽纳米带可提供更大的边缘排斥力抑制斯格明子横向移动，最大驱动电流（Jmax）和最大斯格明子移动速度（Vmax）显著增加。随着注入电流密度的增加，凹槽纳米带内斯格明子移动速度先增加到最大速度，而后减小或保持不变。通过增加边缘宽度或厚度，Jmax和Vmax线性增加。研究凹槽纳米带边缘厚度与宽度对斯格明子移动的调制规律，并基于微磁学理论对其进行解释。为基于纳米带结构的自旋电子器件的开发提供理论依据。

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金、银纳米结构中的非局域吸收特性 刘建晓, 刘啸岚, 陆华丽, 高英杰, 姜严, 唐万春 2021, 38(2): 206-214.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8211 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7628KB) ( )   采用时域有限差分方法（FDTD）研究金、银纳米结构的非局域吸收。对金属材料的Drude-Lorentz模型进行离散差分，详细推导各项迭代系数。研究一维、二维、三维金、银纳米结构的吸收特性。讨论一维分层纳米薄膜吸收率与材料的关系。结果表明：非局域分层介质板仍然符合等效介质理论。在一维、二维情况下，金、银纳米结构的非局域吸收峰只与纳米尺度相关而与材料无关。三维纳米结构的非局域吸收特性不仅与纳米尺度相关还与材料特性相关。三维纳米结构尺度更小，非局域效应表现也更为明显，吸收峰的蓝移也更大。因此，三维纳米颗粒有望在纳米材料以及纳米器件的研究中发挥更大的作用。

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FexO-SiO2-CaO-MgO-“NiO”系镍渣势函数及分子动力学模拟 王国华, 崔雅茹, 杨泽, 李小明, 汤宏亮, 杨树峰 2021, 38(2): 215-223.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8198 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2261KB) ( )   从非经验参数角度构建基于两原子模型的FexO-SiO2-CaO-MgO-"NiO"渣的势函数，利用分子动力学模拟揭示调控镍渣组分与结构及物理化学性能之间的关系。结果表明： BMH（Born-Mayer-Huggins）势函数能够较好表征FexO-SiO2-CaO-MgO-"NiO"系镍渣的势能。当镍渣中CaO含量为15 wt.%时，Si4+-Si4+间配位数最小，此时熔渣的聚合度最低，有利于扩散。当Fe元素由Fe2+转换为Fe3+后，和O2-结合能力更强，会导致熔渣更难以扩散，因而镍渣的黏度迅速升高，造成冶炼条件恶化，因此在镍闪速熔炼时要严格控制Fe2+/Fe3+的比例。模拟计算的黏度与实测值吻合较好，表明构建的势函数能够较好地反映镍渣的物化性能。

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反应物NO的振动激发对反应C(3P)+NO(X2Π)→CO(X1Σ+)+N(2D)立体动力学性质的影响 马建军, 邹勇 2021, 38(2): 224-230.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8241 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4759KB) ( )   采用准经典轨线方法研究碰撞能为0.23 eV时，反应物分子NO在不同初始振动态（v=0~3）下发生在两个电子态（2A″和2A'）势能面上反应C（3P）+NO（X2Π）→CO（X1Σ+）+N（2D）的立体动力学性质。计算反应产物的转动角动量矢量分布（P（θr）和P（φr））以及微分散射截面（P00（ωt），P20（ωt））。结果表明：反应物的振动激发对发生在2A'势能面上的反应立体动力学性质影响显著，而对发生在2A″势能面上的反应立体动力学性质影响较小，这可能与两个势能面的构型有关。在两个电子态势能面上发生的反应均受内平面反应机理支配。

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一种基于保守混沌的密钥分发协议及图像加密算法 康志君, 仓诗建, 李月 2021, 38(2): 231-243.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8209 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(29301KB) ( )   耗散混沌系统可以通过时滞嵌入法重构混沌吸引子，因而耗散混沌在基于混沌的信息加密技术中存在一定隐患。针对这一问题提出一种基于保守混沌的密钥分发协议及图像加密算法，该算法将图像数据通过Hash算法转换为保守混沌系统的初始值，形成一次一密的加密结构。然后利用保守混沌信号结合密钥分发协议生成二进制密钥流，该过程由发送方和接受方双方共同完成。使用得到的二进制密钥流对图像数据置乱和扩散，得到加密图像数据。仿真结果表明：该算法安全可靠，能够有效地隐藏原图像信息，并能抵御一些常见的攻击。此外，该加密算法所使用的保守混沌不存在吸引子难以被破解，算法的安全性进一步加强。

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共存吸引子个数可调的混沌系统 颜闽秀, 徐辉 2021, 38(2): 244-252.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8218 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1196KB) ( )   运用Silnikov定理构建一个具有共存吸引子且个数可调的混沌系统。首先在经典混沌系统基础上构建一个结构简单的混沌系统，分析系统的动力学特性，验证系统马蹄意义下的混沌特性。在此基础上，将多零点分段函数引入该系统，以扩展系统平衡点的方式来增加系统的不变集，进而建立具有共存吸引子个数可调的混沌系统，由于共存吸引子的复杂性，该系统在保密通信领域具有较好的应用价值。