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2021年, 第38卷, 第4期
刊出日期：2021-07-25 上一期    下一期
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我和《计算物理》 王强 2021, 38(4): 379-380.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(554KB) ( )

研究论文

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JFNK方法在SN输运计算中的应用 朱凯博, 徐龙飞, 潘流俊, 沈华韵 2021, 38(4): 381-392.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8282 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2909KB) ( )   JFNK(Jacobian-free Newton-Krylov)方法是一种求解非线性方程的高效迭代算法。传统输运计算中的负通量修正与k-特征值迭代使得原本线性的输运计算转变为非线性问题数值求解。为提高非线性输运问题的计算效率，将这两类非线性问题离散成残差形式的非线性方程组，并采用JFNK方法对其进行迭代求解。分析不同约束条件对JFNK方法性能的影响，并将其与NK(Newton-Krylov)方法进行对比。针对JFNK方法的内迭代过程，分析两类子空间方法(GMRES(m)与LGMRES)对整体计算效率的影响。数值结果表明：①相比于传统的幂迭代方法，JFNK方法具有更高的计算效率；②Jacobian矩阵向量积的差分近似对结果没有影响，且基于物理的约束条件比标准的数学约束更加高效；③LGMRES可以充分利用子空间的信息，从而使得JFNK方法整体表现更加高效。

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(α, n)反应中子产额与能谱计算方法 杨波, 衷斌, 徐琪, 成立, 潘流俊, 沈华韵 2021, 38(4): 393-400.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8287 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4818KB) ( )   发展了（α，n）反应中子产额与能谱蒙特卡罗直接模拟方法，该方法采用通用的连续碰撞方法与SRIM程序计算的阻止本领模拟α粒子慢化过程，采用基于JENDL/AN-2005加工后ACE格式数据库计算（α，n）反应中子产额与能谱。基于NPTS程序研制了（α，n）反应模拟功能，轻核（α，n）反应产额与实验结果符合较好，B、F、O靶出射中子能谱与实验结果符合较好，而C、Al、Si与实验结果有一定差异。

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一种求解二维辐射流体力学方程组的显隐式格式 房尧立, 王一 2021, 38(4): 401-417.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8312 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5872KB) ( )   构造一种求解二维辐射流体力学方程组的有限体积方法。相较于Euler方程组，辐射流体力学方程组的数值格式设计更为困难。不仅辐射压力与辐射能量的强非线性增加了数值计算的难度，而且求解强激波问题也是一大难点。与此同时，物质量以声速传播，辐射量以光速传播也增加了该系统求解的难度。为了克服这些难点，我们使用MUSCL-Hancock方法求解模型的双曲部分，利用TR/BDF2的变换格式求解其扩散部分。给出了灰非平衡扩散模型关于时间的渐近分析。最后，通过数值实验展现该格式的表现。

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一种基于迭代子空间直接求逆算法的高效子空间混合算法 丁永龙, 胡琳萍, 张瑞勤 2021, 38(4): 418-422.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8301 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(633KB) ( )   发展一种基于迭代子空间直接求逆（DIIS）算法的可用于快速求解原子和分子Hartree-Fock方程的子空间混合算法。该算法利用不同大小的子空间的混合将更接近收敛的Fock矩阵的权重增大，混合后的Fock矩阵作为新的迭代起点能有效减少自洽场迭代（SCF）过程中的迭代次数。与DIIS算法进行对比，发现该算法优于两种不同子空间的DIIS算法，并有效减少了计算量。

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基于神经网络的托卡马克能量约束时间预测 郑书昱, 彭佳臻, 张先梅, 薛二兵, 虞立敏 2021, 38(4): 423-430.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8277 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4324KB) ( )   使用机器学习理论中的神经网络方法，根据通用逼近原理对能量约束时间的复杂函数进行逼近，采用托卡马克装置的典型实验数据，设计一种组合结构的神经网络。通过大量的调参试验，给出一套性能最好的参数组合，并与传统幂指数形式的多元线性回归方法进行准确性和数据集迁移能力的比较。结果表明：神经网络模型对于能量约束时间的预测准确率更高，回归性能更好，且具有一定的抗噪声能力，更适合作为能量约束时间的定标或预测工具。

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基于维格纳方程的电子的古斯-汉欣位移 程受广, 尹云倩, 钟菊莲, 许坤远 2021, 38(4): 431-440.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8310 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6568KB) ( )   通过求解电子的维格纳方程研究二维电子气中电子的输运性质。我们发现电子在倾斜入射到势垒界面并反射时, 出现与光波类似的古斯-汉欣位移。通过维格纳方程可以得到电子的瞬态演化, 不仅可以计算古斯-汉欣位移还能研究电子在势垒内部的运动轨迹以及出现稳定古斯-汉欣位移的时间。与稳定相位法得到的古斯-汉欣位移对比发现, 考虑古斯-汉欣位移的界面反射较几何光学反射在时间上有一定迟缓, 这种迟缓与入射角无关, 但会随着势垒宽度的增加而增加; 电子的古斯-汉欣位移与势垒厚度无关, 随着入射角或入射能量的增大而增大。基于此, 我们提出一种电子分束器模型, 向输入端注入初始动能不同的高斯波包, 当电子能量低于0.01 eV时, 约85%的电子运动至第二输出端; 而当电子能量高于0.07 eV时, 约85%的电子运动至第一输出端。

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石墨烯厚度与其力-距离关系的实验和模拟研究 房勇, 金永中, 陈建, 宗洪祥, 张丽英 2021, 38(4): 441-446.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8270 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3862KB) ( )   通过原子力显微镜高度曲线确定高度分别为0.57 nm、0.90 nm和1.30 nm三个石墨烯片，随后进行多次力-距离曲线测量。结果发现：三个石墨烯片吸附力数值的平均值分别为0.30 nN、0.32 nN和0.34 nN，脱附力的平均值分别为5.33 nN、5.66 nN和7.24 nN。实验显示吸、脱附力随石墨烯厚度的增加单调递增，表明测量力-距离曲线可能成为一种判断石墨烯厚度的方法。为解释不同厚度石墨烯片力-距离曲线，构建铂基底与单、双和三层石墨烯相互作用的共格界面模型，采用第一性原理模拟方法对模型界面分离功和界面电荷转移进行计算。结果发现三个模型界面分离功分别为10.0 eV·nm-2、10.4 eV·nm-2和10.8 eV·nm-2, 石墨烯片越厚界面分离功越大，计算结果与实验结果中吸附力数值变化趋势相同。

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间隙原子对ZnNb2O6光电特性影响的第一性原理研究 闫宇星, 张珏璇, 郑帅, 汪帆, 熊琳强 2021, 38(4): 447-455.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8263 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10510KB) ( )   基于密度泛函理论第一性原理，研究Zn、Nb、O间隙原子对ZnNb2O6体系光电特性的影响。分析显示：间隙原子对体系晶格畸变的影响与间隙原子几何尺寸有关。缺陷结构中，由于间隙原子电负性存在差异，也是产生晶格畸变的因素。光电特性分析显示：含有Zn、Nb间隙原子的体系表现为n型简并半导体。且Nbi表现出较强的介电效应，主要与Nb的离子势与电离能有关。Oi表现为p型简并半导体，对光电效应贡献较小。结果表明Nbi体系有良好的光电特性，在实际应用中具有较大潜力。

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温度及围护通风对独头巷道氡浓度分布的影响 杨展康, 牛奕 2021, 38(4): 456-464.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8295 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8658KB) ( )   根据计算流体力学以及氡的物理性质，建立具有硐室的独头巷道内氡的三维稳态传输模型，采用Fluent软件求解控制方程，使用UDF实现巷道内壁氡的析出和氡的衰变，得到独头巷道内的风场结构及氡的浓度分布。研究发现：通风量一定时，温度对氡的浓度影响显著，巷道内温度越高，巷道各处氡浓度越高。整个巷道硐室氡浓度最大，相比于修建防氡围护，对硐室采用局部通风，降氡效果更好。采用压入式通风时，巷道内氡浓度由内向外递增，提高巷道的通风率能够有效地降低巷道入口的氡浓度，但对硐室内氡浓度影响不大。

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基于气液混合层的吸附气体稳定性机理 骆庆群, 李建素 2021, 38(4): 465-469.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8293 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6228KB) ( )   实验表明溶解在水中的气体会在疏水表面吸附和集聚，学界普遍认为其有"纳米气泡"和"微气饼"两种存在形式。对于这两种形式，经典理论无法解释其稳定存在。本文采用分子动力学方法对气体吸附和积聚过程进行模拟，结果显示吸附气体表层覆盖着气液混合层，对该混合层的形状和特性进行分析和研究，发现该气液混合层具有较高的粘度并且对气体的扩散有明显的抑制作用。

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基于复杂网络的电网结构健壮性及Braess悖论现象研究 李浩乾, 邹艳丽, 张少泽, 刘欣妍, 谭秫毅 2021, 38(4): 470-478.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8279 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(4178KB) ( )   应用复杂网络理论，建立电力系统的改进导纳模型，结合电网拓扑特性和电气特性对电网的级联故障进行研究。通过随机移除传输线引发电网级联故障，研究网络的节点数、平均度、发电站数量以及发电站的分布状况对系统健壮性的影响，并对小世界电网级联故障过程中的布雷斯(Braess)悖论现象进行分析。研究表明：网络的健壮性与其拓扑结构密切相关，平均度较大时，最近邻耦合网络和小世界网络健壮性曲线存在多个分叉点；在小世界结构电网中，一般平均度和节点数越大，发电站的数量越多，电网健壮性越好；发电站分散分布比发电站集中分布的电网健壮性更好。对网络容量增加导致健壮性降低的布雷斯现象进行解释。

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基于节点非结构模型的换热网络结构多样性分析及改进优化策略 韩正恒, 崔国民, 章伟杰, 赵倩倩, 肖媛, 张冠华 2021, 38(4): 479-488.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8276 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2576KB) ( )   强制进化随机游走算法优化换热网络过程中会出现个体结构相似现象，导致种群结构多样性下降，算法全局搜索能力不足，难以进一步优化换热网络结构。针对基于节点非结构模型的换热网络结构相似现象展开研究，制定两个评价指标衡量优化过程中个体结构相似水平，发现个体结构内相似换热单元数逐步增加，而相似换热单元的热负荷差距逐步减小，个体结构相似水平越来越高。基于此，以提升种群多样性为指导，提出换热单元排斥性进化策略，通过增大相似换热单元的热负荷差距，激励相似换热单元的差异性进化，从而改变结构进化方向，降低相似结构规模。最后应用20SP和15SP两个算例验证该策略的有效性，结构年综合费用与文献最优结果相比分别下降了12 105＄·a-1和52 535＄·a-1，说明该策略可以有效提升算法全局搜索能力。

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RWCE算法中选择性接受差解策略优化换热网络 赵倩倩, 崔国民, 韩正恒, 肖媛, 徐玥 2021, 38(4): 489-497.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8300 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2370KB) ( )   强制进化随机游走算法优化换热网络时，以一定的概率接受差解可有效促进结构进化，非贪婪性的差解搜索机制是目标函数跳出局部极值的关键。本文分析接受差解机制的作用，探究不同优化阶段的差解结构来源，观察年综合费用变化，发现大多数被接受的差解结构在后续的优化中又回归到原结构，存在较多无效的参数传递过程。我们提出选择性接受差解策略，只接受具有新个体产生的差解，基于指数函数建立接受差解概率递增公式，并对结构中的新个体加以保护以增强其在结构中的存活率。最后选用9SP2、20SP算例进行验证，取得了优于已发表文献的最优结果，证明了该策略的可行性。

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基于流量测点的热网变动阻力系数优化辨识 屠丽娟, 周恩泽, 吴雪飞, 杨琪, 丁雪峰 2021, 38(4): 498-504.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8280 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1047KB) ( )   随着供热计量系统的普及，系统可以根据负荷的变化进行调整，管网的阻力系数随即发生变化。对变动阻力系数进行优化辨识是了解供热管网实时运行状况的有效手段。提出一种基于流量监测数据的供热管网变动阻力系数优化辨识方法，并利用遗传算法进行求解。对洛阳市某小区供暖季管网实际运行数据进行验证，辨识结果的相对误差在5%以内。结果表明：该方法可以在只有流量观测数据时得到精度较高的供热管网变动阻力系数，为供热系统的运行调节提供指导。