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2021年, 第38卷, 第6期
刊出日期：2021-11-25 上一期    下一期
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综述

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基于相空间的复杂物理场建模与分析方法 许爱国, 宋家辉, 陈锋, 谢侃, 应阳君 2021, 38(6): 631-660.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8379 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(39020KB) ( )   评述两个基于相空间的建模与分析方法及其应用。第一个是基于闵可夫斯基泛函的形态分析方法，第二个是基于离散玻尔兹曼方程的建模与分析方法。两者均是统计物理学相空间描述方法的进一步发展：以相对独立的行为特征量为基，构建相空间，使用该相空间和其子空间来描述系统的行为特征；该相空间中的一个点对应系统的一组行为特征；两点间的距离d可用来描述两组行为特征的差异，其倒数可用来描述两组行为特征的相似度（S=1/d）；一段时间内两点间距离的平均值${\bar d}$可用来描述两个动理学过程的差异，其倒数可用来描述这两个动理学过程的相似度（Sp=1/${\bar d}$）。从历史角度，基于闵可夫斯基泛函的形态相空间分析方法在先，接受其启发是离散玻尔兹曼方法朝着相空间描述方法发展过程中的关键环节。形态分析方法独立于数据来源，因而离散玻尔兹曼模拟得到的结果，除了可以使用其自带的分析功能之外，还可进一步使用形态分析方法获得另一个层面或视角的认识。在复杂介质动理学研究中，这两个方法从不同的视角，使得许多以前无法提取的信息得以分层次、定量化研究。

研究论文

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垂直排液过程不稳定性的数值模拟 肖寒, 李春曦, 苏浩哲, 叶学民 2021, 38(6): 661-671.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8332 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(15118KB) ( )   为分析线框排液实验中液膜表面出现的不稳定现象及其成因，针对含有不溶性活性剂的线框液膜排液过程，模拟液膜底部的不稳定现象，分析Marangoni效应、膨胀黏性和扰动波数因素的影响。结果表明：底部扰动在排液开始比较剧烈，而后快速减弱，到排液后期又逐渐增强。排液开始的扰动是由初始扰动引起，而排液后期的扰动与活性剂分布有关。较弱的Marangoni效应可增强表面扰动，而较强的Marangoni效应则减弱底部扰动，使液膜呈刚性，发生表面逆流现象；较高的膨胀黏性减慢液膜排液进程，降低表面速度，且能抑制Marangoni效应引起的逆流现象；波数较大的扰动使液膜在排液初期的扰动变强，但对排液后期的稳定性不产生影响。

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润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟 陈露, 高明, 梁佳, 王东民, 赵玉刚, 章立新 2021, 38(6): 672-682.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8325 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(14156KB) ( )   采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法，对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中，内部会出现沿斜面向上的速度矢量，润湿梯度越大，液滴运动速度越快，润湿长度也越长，且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小，但存在临界Bond数，超过该临界Bond数时，液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响，倾角增大，液滴运动速度和润湿长度都明显减小。

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一维空间Riesz分数阶对流扩散方程的格子Boltzmann方法 魏雪丹, 戴厚平, 李梦军, 郑洲顺 2021, 38(6): 683-692.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8318 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3766KB) ( )   建立格子Boltzmann方法（LBM）的D1Q3演化模型，研究一类Riesz空间分数阶对流扩散方程的数值求解问题。对分数阶微积分算子中的积分项离散化处理，得到逼近的标准对流扩散方程。结合Taylor展式和Chapman-Enskog多尺度展开技术得到模型的各个方向上的平衡态分布函数，通过D1Q3演化模型正确恢复所要求解的宏观方程。数值算例验证该方法的有效性。

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聚合物充填过程中裹气现象的数值模拟 高普阳 2021, 38(6): 693-706.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8327 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(13054KB) ( )   针对聚合物充填过程中的裹气现象，采用一种有限元（FEM）-间断有限元（DG）耦合算法对其进行数值模拟。对于自由运动界面，采用水平集（Level Set）方法进行捕捉；用XPP（eXtended Pom-Pom）本构模型来描述黏弹性流体的流变行为。采用有限元-间断有限元耦合算法求解统一的流场方程，并采用隐式间断有限元求解XPP本构方程、Level Set及其重新初始化方程。数值结果与文献中的实验结果及模拟结果吻合较好，验证了数值方法的稳定性及准确性。分析带有非规则嵌件型腔内，注射速度及浇口尺寸对裹气现象的影响，裹气容易出现在较高注射速度及较小浇口的情形。

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N2在页岩干酪根上的吸附特征 朱元强, 靳赛赛, 孙青青 2021, 38(6): 707-712.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8333 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7552KB) ( )   采用密度泛函理论的wB97XD方法、RDG函数方法和counterpoise correction理论，研究氮气在干酪根C28H14O和氮掺杂干酪根C27H14ON上的吸附特征。结果表明：N2在干酪根上的活性吸附位点为苯环上方中心位置，吸附能在8~10 kJ·mol-1之间，N2和干酪根之间的相互作用主要是范德华相互作用和空间排斥作用。氮掺杂改变了干酪根的构型和电子云分布，导致含氮杂环不再是稳定的活性吸附位点，增强了排斥作用，使吸附能略有减小。研究结果对理解干酪根吸附小分子的特征有重要意义，能够为页岩气的开采提供理论支持。

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螺旋天线轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响 杜丹, 李帅, 阳璞琼, 冯军, 向东, 龚学余 2021, 38(6): 713-721.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8323 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5331KB) ( )   采用有限元法数值求解Maxwell方程组，分析H-1仿星器实验参数下螺旋天线的轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响。计算结果表明：随着螺旋天线轴向长度的增加，天线总辐射能量和辐射电阻逐渐增大；在H-1等离子体中螺旋天线主要激发m=±1模式波，其中m=-1模式波一般在等离子体边界传播；全波螺旋激发的波能量主要沉积在等离子体边界，导致等离子体径向能量较强的非均匀吸收，加热效果不理想；半波螺旋天线激发的波可深入主等离子体区域传播，等离子体径向能量吸收相对均匀，加热效果好。

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丙烯醛在外电场中的解离性质 周卓彦, 刘玉柱, 陈宇, 张昕阳, 孙卓怡 2021, 38(6): 722-728.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8331 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8126KB) ( )   利用密度泛函理论（DFT）计算方法，在6-31G+（d，p）基组上，讨论C3H4O气体分子在受到外加电场（-10.28 V·nm-1~10.28 V·nm-1）作用时的结构特征和解离特性。计算发现，沿分子共轭单键的方向电场增强时，总能量增大，碳碳双键和碳碳单键的键长减小，碳氧双键键长增大，偶极矩减小；能隙EG增加，红外吸收峰在不同的频率分别发生红移和蓝移，同时IR强度发生变化。分子解离性能表现为：势能壁垒随着外电场增大而降低，达到25.71 V·nm-1时势能壁垒几乎消失，解离能随着电场增加而逐渐降低，说明在电场作用下解离难度逐渐减小。研究结果为C3H4O气体分子或含有该成分的混合物在外电场下的解离特性研究提供参考。

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理论研究OH+离子电子态光谱及跃迁性质 王兴炜, 宋晓书 2021, 38(6): 729-734.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8297 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1513KB) ( )   采用高精度的内收缩多参考组态相互作用方法（icMRCI）计算OH+离子基态和低激发态的势能曲线和A3П-X3Σ-跃迁体系的跃迁偶极矩。计算过程中考虑了能量的Davidson修正（+Q）效应和标量相对论修正。根据势能曲线，通过求解核的一维Schrödinger方程得到OH+的光谱参数。通过计算A3П-X3Σ-体系的跃迁偶极矩研究这一跃迁体系的Einstein系数、F-C因子。研究了A3П（ν'=0~6）态的跃迁辐射寿命，结果显示其数量级为10-6 s。

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Au@碳球复合结构中Au颗粒位置调控光吸收 孙杰, 程仁寨, 李云, 房洪杰, 汪洪波, 陈小龙 2021, 38(6): 735-741.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8314 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5548KB) ( )   采用时域有限差分（FDTD）法研究Au纳米颗粒@碳球（AuNPs@CS）复合结构的光吸收控制。发现Au纳米颗粒@碳球复合结构中Au颗粒的位置可以控制复合结构光吸收。模型计算中选取两粒Au纳米颗粒以最佳深度（0 nm）嵌入碳球表面。当两粒Au颗粒球心与碳球球心夹角为22.5°和45°时，复合结构光吸收较单一碳球光吸收明显增强；当夹角为315°、270°、180°、90°时，光吸收增量逐渐减小；当夹角为337.5°时，光吸收量低于单一碳球。这一结果主要归因于Au纳米颗粒位置变化可引起表面等离子体光强度和光散射方向的变化。改变碳球表面Au纳米颗粒的数量和位置，可以进一步调节AuNPs@CS复合结构的光吸收。

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具有复合幂函数和共存吸引子的新混沌系统的动力学分析与电路仿真 徐启程, 孙常春 2021, 38(6): 742-748.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8335 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2104KB) ( )   构造一个具有复合幂函数的三维连续自治混沌系统。系统的状态方程仅有5项，其中一项是指数小于1的复合幂函数。该系统具有结构简单、非双曲平衡点、吸引子共存的性质，展现出了复杂的动力学行为。首先，对系统的动力学行为进行分析，包括李雅普诺夫（Lyapunov）指数谱、分岔图以及庞加莱映射等，结果表明此系统具有混沌特性。然后进行混沌系统的电路设计，电路仿真结果验证了理论分析的正确性。

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激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响 关富荣, 李成乾, 邓敏艺 2021, 38(6): 749-756.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8321 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7399KB) ( )   采用元胞自动机模型研究激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响。数值模拟表明：元胞激发阈值存在一临界区间，该区间的螺旋波周期会突然增加，并存在一最大周期，在合适的系统尺寸和状态数下，螺旋波周期不再受相对不应态的影响而只取决于系统的激发阈值；相对不应态导致螺旋波“Z”型漫游、小范围无规律漫游、花瓣状漫游、锯齿状漫游、风车状漫游等复杂的波头运动。观察到稳定螺旋波、漫游螺旋波和螺旋波消失，并对产生这些现象的机制作简要的解释。