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2021年, 第38卷, 第3期
刊出日期：2021-05-25 上一期    下一期
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陈式刚院士谈话录: 对于这个世界, 我这么想 刘洁, 黄烁, 吕文娟, 岳影 2021, 38(3): 253-256.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2903KB) ( )         “对于这个世界,我这么想”,简单的一句话,或许是很多人一生的梦想。“理论物理学家陈式刚院士学术成长资料采集工程课题组”的专题访谈录,原汁原味地记录了陈式刚对20 世纪最伟大的科学家———爱因斯坦的评价以及相关科研话题的分享。高中阶段,在一本《广义相对论》的引领下,陈式刚走入理论物理的殿堂。在复旦大学时(1954 年-1958年),《狭义相对论中引力理论》的报告登上“复旦大学校庆科学报告会”(至今第55 届)的讲堂。几十年的科研生涯中,他在理论物理的多个领域成果显著,是我国混沌研究的主要开拓者之一,2001 年当选为中国科学院院士。陈院士向课题组透露:他收藏了爱因斯坦所有文集和很多本传记。每当看到新的传记和有关爱因斯坦的书,都会买下来。看来老科学家也有偶像啊! 陈院士的治学理念深受爱因斯坦的影响,学术成长过程也与 爱因斯坦有些类似的经历:少年时期熟练掌握微积分、关注哲学思想、探究基础问题、崇尚纯粹理性、擅长思想实验等。访谈中,课题组看到“偶像光环”之外,陈院士仍能客观分析爱因斯坦的不足之处,不会因为对“偶像”的欣赏和崇敬而盲目崇拜。想了解更多科学家思维和陈院士眼中的爱因斯坦,就请随我们一起听听这次访谈吧。

研究论文

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多介质五方程简化模型及界面捕捉的人工压缩算法 薛创, 李馨东, 孙文俊, 叶文华, 彭先觉 2021, 38(3): 257-268.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8248 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8825KB) ( )         根据两介质五方程简化模型的基本假设，发展了适用于任意多种介质的体积分数方程。为了捕捉多介质界面，将HLLC-HLLCM混合型数值通量的计算格式推广应用于二维平面和柱几何的多介质复杂流动问题，在高阶精度的数据重构过程中采用斜率修正型人工压缩方法ACM。通过一维、二维多介质黎曼问题算例测试，结果表明：发展的计算格式能够较好地分辨接触间断和激波，间断附近物理量无振荡；对于添加了初始扰动的激波问题，能够有效抑制激波数值不稳定性；使用二维柱球SOD问题和接触间断型黎曼问题检验计算格式对多介质复杂流动问题的适应性。

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一种求解三维热辐射输运方程的整体预处理迭代方法及并行计算 李凌霄, 翟传磊, 谢辉, 施意 2021, 38(3): 269-279.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8238 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8862KB) ( )   为三维灰体热辐射输运方程的隐式离散纵标方法发展一个整体预处理迭代方法并研制并行程序。该方法采用组装线性代数方程组策略，同时求出所有离散方向上的辐射强度。借助预处理的Krylov子空间迭代法，避免复杂网格上扫描算法可能遇到的死锁问题，能够提高健壮性和计算效率。空间离散上采用一阶迎风有限体积格式。数值实验测试变形六面体网格上的收敛率、评估预处理迭代方法的性能并计算辐射和物质的耦合问题，给出三维弯管和黑腔问题的模拟结果，验证程序的正确性和方法的适应性。

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正冲击波后固壁表面颗粒的上升运动 薛社生, 李守先 2021, 38(3): 280-288.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8242 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3306KB) ( )   为揭示固壁表面颗粒的冲击波夹卷本质，模拟垂直于固壁表面的正冲击波后单个颗粒的上升运动。假定颗粒初始时刻处于气载状态（因波的反射或碰撞离开壁面），受Saffman升力、气动阻力和重力作用。模型方程为波后定常气流边界层方程和颗粒运动常微分方程，分别用单参数法和四阶龙格库塔法求解。计算颗粒速度与轨迹表明：颗粒的冲击波卷扬动力，源于边界层内强剪切流提供的Saffman力；在所考察的冲击波强度和颗粒尺寸范围内，颗粒的上升高度不依赖于冲击波强度；上升高度按颗粒尺寸变化，即尺寸越大，高度越大。比较分析单颗粒和颗粒层的结果，认为实验中颗粒云内大尺寸颗粒少的原因是由于这些颗粒不易从颗粒层中逸出。部分计算结果与实验结果较为符合，验证了所建模型与假设的合理性。

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基于格子Boltzmann大密度比模型的多孔介质内气泡动力学行为数值模拟 娄钦, 汤升, 王浩原 2021, 38(3): 289-300.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8264 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5527KB) ( )   基于格子Boltzmann两相流大密度模型，研究气泡穿过多孔介质的动力学行为。研究发现：当孔隙率较大时，气泡只变形不破裂，能完整地通过多孔介质；而孔隙率较小时，气泡变形更加剧烈且发生破裂，穿过多孔介质所需的时间更长。另外，当障碍物表面接触角（θ）较小时，气泡均能完整地通过多孔介质，随着接触角的增大，气泡开始发生破裂，且θ越大，气泡破裂越严重，通过多孔介质的气泡剩余质量越小。数值结果还表明随着Eotvos数（Eo）增大，表面张力所占比重减小，气泡破裂越严重，穿过多孔介质的气泡剩余质量越小。最后，对比发现，多孔介质润湿性对气泡剩余质量影响最大，其次是孔隙率，而Eo数的影响最小。

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含不同形状内热源的圆管内纳米流体自然对流及换热数值研究 唐古月, 娄钦, 王浩原 2021, 38(3): 301-312.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8244 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(9538KB) ( )   采用格子玻尔兹曼方法对有三种恒温热源（圆形、三角形、方形）参与的圆管内纳米流体（铜-水）自然对流进行数值研究。主要研究瑞利（Ra）数，纳米颗粒体积分数以及热源几何形状等控制参数对纳米流体的流动与传热的影响。结果发现纳米颗粒体积分数的增加有利于强化传热，且在Ra数较小时，平均努塞尔（Nu）数增加的幅度要优于Ra数较大的情况。在所研究的控制参数范围内，方形热源的平均Nu数最大。根据数值结果给出不同热源表面的平均Nu数、纳米颗粒体积分数、Ra数三者之间的函数关系式，该函数关系可为此类工程的设计提供理论指导。

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液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究 梁佳, 高明, 陈露, 王东民, 章立新 2021, 38(3): 313-323.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8265 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8601KB) ( )   采用单组分多相的伪势格子Boltzmann方法，在大小液滴粒径比为1.5的情况下，对大液滴竖直撞击壁面上静止小液滴的过程进行模拟，研究亲水与超疏水壁面上大液滴竖直碰撞小液滴的过程，得到液滴铺展因子和相对高度随时间的变化。结果表明：增大We数会使液滴的铺展因子增大，铺展直径变大，相对高度减小；并且随着We数的增加，在超疏水表面，液滴在铺展过程中底部会出现空腔，空腔大小随着We数增大而增加；此外，We数增加到107.35时，液滴发生了断裂。

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聚合物驱试井分析叠加原理适用性的探索 张佳, 程时清, 曾杨, 张满, 于海洋 2021, 38(3): 324-332.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8262 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1797KB) ( )   建立考虑聚合物剪切变稀特性的聚驱试井数学模型，基于矩形网格和井筒周围径向加密的复合网格。采用有限体积方法求得数值解，将数值解与叠加原理得到的注聚井停注压降进行对比。结果表明：叠加原理计算得到的注聚井关井井底压力值远低于数值解，说明叠加原理不能用于聚合物驱试井解释。在实测注聚井压降资料解释中，叠加原理得到的渗透率明显偏低，进一步证明了叠加原理不适合非线性聚驱试井模型，数值方法更加适用于聚驱试井解释。研究结论适用于类似的非线性试井问题。

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智能调整接受差解几率的RWCE算法 姜逸文, 崔国民, 陈子禾, 俞佳明, 赵倩倩 2021, 38(3): 333-342.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8214 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2253KB) ( )   强制进化随机游走算法（RWCE）应用于换热网络优化，具有算法流程简洁、结构进化能力强等特点。其中接受差解几率对个体跳出局部最优有重要的影响。本文统计优化后期连续变量和结构变量使得年综合费用下降的次数，分析二者对优化进程的影响，讨论接受差解几率在个体优化进程中所起的作用，提出一种通过判别差解结构与原结构的异同来智能调整接受差解几率的换热网络优化方法。该策略进一步强化个体的结构进化与跳出局部极值的能力，通过算例证明了策略的有效性。

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高磁雷诺数下剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响 谭耀 2021, 38(3): 343-351.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8235 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(16043KB) ( )   在高磁雷诺数下，当双撕裂模发展进入快速磁场重联阶段时，会发生二级磁岛不稳定性，加剧磁场能量的释放。本文基于扰动形式的守恒磁流体方程组发展高精度的数值模拟程序，在平板位形下研究反对称位形剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响。结果表明：随着剪切流强度和剪切梯度的增加，二级磁岛的数目以及电流片横纵比变小。此外，较强的极向剪切流能够抑制二级磁岛不稳定性的发生。

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用运动控制器来终止心律失常 白婧, 黄志精, 唐国宁 2021, 38(3): 352-360.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8243 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7965KB) ( )   采用Luo-Rudy相Ⅰ心脏模型对通过局部电击使细胞复极化来消除心脏中的螺旋波和时空混沌进行数值模拟。提出利用控制器局部电击螺旋波波头周围的心肌细胞来抑制螺旋波的旋转，使螺旋波漂移出边界，进而控制螺旋波和时空混沌。数值模拟表明：适当选择控制的格点数和膜电位控制阈值，螺旋波和时空混沌都可以被抑制。最少的控制格点数为9个，最短的单螺旋波控制时间小于150 ms，最短的时空混沌控制时间小于500 ms。

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硅中硼离子注入的带电缺陷动力学模拟 李鹏迪, 刘俊, 郑淇蓉, 张传国, 李永钢, 张永胜, 赵高峰, 曾雉 2021, 38(3): 361-370.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8245 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2331KB) ( )   为准确描述硼离子注入硅后缺陷/杂质的动力学物理过程，获得硼浓度空间分布及其演化行为，构建一个跨尺度带电缺陷动力学模型，考虑离子注入缺陷的产生及其演化的多种微观过程，包括缺陷电荷态和带电缺陷间的反应、硼-自间隙团簇（BICs）演化以及缺陷与载流子相互作用等物理过程。模拟得到与实验一致的硼浓度深度分布。结果表明：BICs对硼浓度的深度分布起主要作用，而间隙硼（BI）导致硼浓度分布向深处扩展；计及缺陷的不同电荷态修正自间隙（I）和硼间隙（BI）的扩散系数，从而更准确地描述硼浓度分布。模型揭示了硼离子注入硅发生的物理过程和微观机理，证明BICs和缺陷真实的电荷态是描述硼浓度分布的重要因素，为半导体器件制造与研发提供理论指导。

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等价阴-阳离子共掺杂调节ZnO的能带结构及其光催化活性 潘靖, 沈国华 2021, 38(3): 371-378.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8253 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6187KB) ( )   采用等价阴-阳离子共掺的方法调节ZnO的能带结构，提高其光催化分解水制氢的效率。计算结果表明：等价阴-阳离子共掺不仅减小了ZnO的带隙，使其在可见光区域的光吸收增强，而且能有效抑制电子-空穴的复合，提高载流子迁移率。（Cd+Te）共掺杂的ZnO是较理想的水分解的光催化剂，因为它具有合适的带隙、较少的电子-空穴复合中心、增强的可见光区域的光吸收和与水氧化还原势相匹配的带边位置。等价阴-阳离子共掺的方法也可运用到其它宽带隙的半导体中以提高光催化活性。