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2022年, 第39卷, 第5期
刊出日期：2022-09-25 上一期    下一期
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院士访谈: 向涛谈《中国学科发展战略研究——计算物理学》 刘洁, 黄烁, 周凯虹 2022, 39(5): 505-509.  摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1119KB) ( )          喜闻《中国学科发展战略研究——计算物理学》专辑(以下简称专辑)发行了。这是我国首次在国家自然科学基金委员会(以下简称基金委)和中国科学院(以下简称中科院)共同推动下开展的《计算物理学》学科发展战略研究。专辑分析了计算物理学的学科发展任务和战略地位、学科发展规律和态势，提出了我国计算物理学发展亟待解决的基础科学问题及优先发展方向；针对制约计算物理学发展的关键政策问题，提出了相应的资助机制和政策建议。专辑为科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向提供了重要线索。应《计算物理》主编江松院士的邀请，专辑编委会主任、中国科学院物理研究所向涛院士接受本刊的独家专题访谈。访谈内容包括向涛院士对于专辑成书的背景及意义的介绍，计算物理学科发展现状，计算物理学发展中所遇到的机遇和挑战，国家科技发展规划中计算物理学的作用，人工智能将会给计算物理带来的影响，以及对青年计算物理学者的寄语和《计算物理》期刊发展建议等方面。现将向涛院士的访谈内容整理后发表，以飨读者。

研究论文

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扩散界面形式下一种节约时间步的质量分数混合模型 吴宗铎, 严谨, 宗智, 庞建华 2022, 39(5): 510-520.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8453 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2128KB) ( )   研究扩散形式的界面处理中混合物模型的处理方式对计算的影响。为了让界面的处理既简便又具有较强的适应性, 选用Mie-Grüneisen混合模型, 对原有基于体积分数的混合物模型进行改进。改进后的混合物模型, 以质量分数为色函数, 并利用流场中介质的密度完成对声速计算的优化。对声速的优化后, 可以在收敛机制下缩短时间步的数量, 提高计算效率。同时, 限制器的引入有助于使压力曲线变得稳定。数值算例证明, 改进后的质量分数模型, 能在多种计算格式下实现时间步数的降低。时间步数减少的幅度取决于物理条件。

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临近空间核爆炸碎片云运动的数值模拟 刘利, 牛胜利, 朱金辉, 左应红, 谢红刚, 商鹏 2022, 39(5): 521-528.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8492 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3546KB) ( )   从质量守恒和动量守恒方程出发, 考虑能量耗散、空气密度随高度变化、X射线沉积能量致大气温升和辐射冷却等影响因素, 建立临近空间核爆炸碎片云运动演化的流体力学模型。计算TEAK试验和ORANGE试验碎片云扩展和上升运动, 给出碎片云中心高度、水平半径、上升速度和形状等典型参数的演化, 与实验测量数据基本相符。计算模型可为电离层效应和人工辐射带效应提供缓发辐射源参数。

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可压缩黏性圆射流稳定性分析 张华, 杨明慧 2022, 39(5): 529-536.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8479 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1051KB) ( )   基于线性稳定性理论, 得到空间模式下的可压缩黏性液体圆射流自由表面扰动发展的色散方程, 并对色散方程进行验证。研究表明: 液体可压缩性在射流的分裂与雾化过程中所起到的不稳定作用很小, 随着液体马赫数的增大, 扰动波的最大增长率基本不变; 气体可压缩性对射流的不稳定作用随气体马赫数的增大而增大。黏滞力和表面张力对射流的稳定作用分别随雷诺数和韦伯数的增大逐渐减小; 气动力对射流的不稳定作用随气液密度比的增大基本不变。

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基于LBM的均匀电场池沸腾单气泡动力学模拟 张浏斌, 单彦广, 戎志成 2022, 39(5): 537-548.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8475 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6906KB) ( )   采用格子玻尔兹曼方法(LBM), 在气-液相变模型的基础上, 耦合理想电介质模型, 模拟均匀电场作用下池沸腾单气泡成核、生长、脱离过程, 详细研究重力加速度和电场强度对气泡动力学的影响。结果表明: 在重力加速度相同的情况下, 随着电场强度的增加, 气泡的脱离直径与脱离时间随之减小, 壁面平均热流增加。随着重力加速度减小, 壁面平均热流减少, 电场强度对于气泡脱离频率的影响更加显著。气泡在均匀电场中形状发生改变, 它将沿着电场线的方向拉伸, 变得更加细长, 电场强度与气泡的纵横比和高度呈线性相关。

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多孔介质方腔内双扩散自然对流熵产的格子Boltzmann模拟 刘嘉鑫, 郑林, 张贝豪 2022, 39(5): 549-563.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8484 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(31310KB) ( )   用格子Boltzmann方法对倾斜多孔介质方腔内流体双扩散自然对流的熵产进行数值模拟, 分析孔隙率(0.2≤ε≤0.9)、瑞利数(103≤Ra≤106)、浮力比(-4≤Br≤2)和倾斜角(0°≤γ≤80°)对局部熵产与总熵产的影响。结果表明: ①当ε和Ra增加时, 因流动与传热传质引起的局部熵产峰值升高, 流动熵产对总熵产的贡献逐步增大, 净流体摩擦项在流动熵产中占比升高; ②Br=-1是局部熵产分布发生变化的临界值, 此时熵产趋于零; ③随着倾斜角的增大, 局部流动熵产的高熵产区域沿着顺时针方向移动; 当γ=40°时, 净流体摩擦造成的熵产达到极大值而达西耗散造成的熵产峰值出现在γ=60°。

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基于模型降维和递归神经网络的油藏参数反演 肖聪, 张士诚, 马新仿, 周彤, 侯腾飞 2022, 39(5): 564-578.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8473 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(12763KB) ( )   提出一种基于映射递归神经网络(aNN)的代理模型, 借助于深度学习框架中易于使用的自动微分工具, 有效生成模型降阶伴随算子, 实现高效反演建模。与降阶切线线性模型相似, 基于投影的神经网络(POD-aNN)结构加速降阶子空间的伴随模型的建立。POD-aNN由一个降维单元和一个用于投影的中间非线性过渡单元组成, 二者分别用于将状态系统分解为低维子空间和近似系统状态的时变演化。因此, 伴随模型在缩减的空间中运行, 计算量和内存需求可以忽略不计。结合二维石油模型展开油藏参数反演研究。结果表明: 该方法在显著降低计算量的前提下取得了满意的参数反演结果, 从而证明了该方法的有效性, 并为应用神经网络模型到实际参数反演案例提供理论基础。

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基于复杂网络理论的电网耦合强度分配策略 高正, 邹艳丽, 胡均万, 姚高华, 刘唐慧美 2022, 39(5): 579-588.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8500 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10062KB) ( )   为探究提高电网性能的线路耦合强度分配方法, 用临界同步耦合强度描述电网的同步能力, 通过对网络节点施加扰动功率的方式攻击电网来分析其动态鲁棒性。研究发现: 电网节点的局部拓扑结构和功率约束着节点的局部同步能力。一般情况下, 节点功率越大, 度值越小, 它的局部同步能力就越弱, 该节点与其邻居节点就越难达到局部同步状态。基于节点的局部同步能力, 提出一种输电线路耦合强度的非均匀分配策略, 即在网络总耦合强度不变的情况下, 适当增大局部同步能力较弱节点间线路的耦合强度, 减小局部同步能力较强节点间线路的耦合强度。研究表明: 这种方法可以在一定程度上优化网络的同步能力, 增强电网的鲁棒性。

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具有隐藏超级多稳定性的磁感应HR神经元及其电路实现 唐利红, 贺宗梅, 姚延立 2022, 39(5): 589-597.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8476 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10450KB) ( )   使用磁控忆阻器描述神经元的膜电位与磁通的耦合, 提出一个磁感应HR神经元模型, 通过分岔图、李雅普诺夫指数谱、时序图以及相位图等动力学分析方法揭示它的复杂动力学行为。研究表明: 这种电磁感应HR神经元模型没有任何平衡点, 但可以产生无限多个形状相同但位置不同的隐藏混沌吸引子, 具有隐藏的超级多稳定性特征。此外, 设计了电磁感应HR神经元的模拟等效电路, PSIM电路仿真验证了数值仿真的正确性。

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光掩膜诱导的聚合物/纳米粒子共混体系的自组装计算机模拟 王雯婷, 尹慧瑾, 潘俊星, 张进军 2022, 39(5): 598-608.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8467 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(18148KB) ( )   采用基于金兹堡-朗道理论(Ginzburg-Landau Theory)的元胞动力学方法(Cell Dynamic System)研究光掩膜诱导的聚合物/纳米粒子共混体系的自组装行为。探讨掩膜、光照强度、聚合物组分比、纳米粒子浓度、聚合物-纳米粒子相互作用等因素对体系形貌形成和演化的影响, 构建体系结构与相关参数的二维相图, 同时分析结构形成的动力学过程, 揭示各参数间的相互作用机理, 获得了调控复合体系花样结构形成和转变的简便方法, 为新型高性能微纳米材料的制备提供参考。

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Ge掺杂AlN电子和光学性质的第一性原理计算 罗强, 马智炜, 蒋冠臻, 邹江峰, 邱毅 2022, 39(5): 609-616.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8483 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6728KB) ( )   基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法, 用Ge原子分别替代纤锌矿AlN超晶胞中Al、N原子, 得到其结构、电子及光学性质。结果表明: 掺杂后结构发生了明显的改变, 两种方式的掺杂都使得AlN的晶格常数、体积和沿c轴方向的键长增加, 且晶格常数变化满足维加德(Vegard)定理; Ge原子替换Al原子形成能为5.41eV, Ge原子替换N原子形成能为5.58eV, 两种掺杂方式体系稳定性都低于纯AlN; 掺杂并未引入磁性, 前者引入施主杂质能带, 且杂质能带进入价带, 变为负能隙金属, 后者引入受主杂质能带, 禁带宽度为0.910eV, 两者均远小于本征AlN的禁带宽度4.040eV, 前者导电性显著提高, 后者导电性可能提高; 研究发现两种方式掺杂复折射率函数的虚部在低能区都近似不再为0, 表明两种掺杂都加强了AlN材料对低频电磁波的吸收能力; 前者介电函数虚部在低能区出现了新的波峰, 长波吸收能力更强, 后者在低能区未出现明显波峰, 能量损失均减少。

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自旋相关光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态 吴丽媛, 张素英 2022, 39(5): 617-623.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8478 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(8174KB) ( )   基于Gross-Pitaevskii方程数值研究自旋相关光晶格势和无限深势阱的联合势阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态密度分布。重点讨论产生自旋相关光晶格势的两束激光传播方向和波数之比(l)对基态密度分布的影响。在两束激光的波数较小, 两束光相向传播, 且l < 2时, 两分量的基态密度条纹都是连续的, l≥2时, 两分量的基态密度均出现不连续条纹。两束光垂直传播时, 随着l的增大, 组分1的基态密度从连续条纹逐渐转变为不连续条纹, 组分2则正好相反。基态密度条纹数随着波数的增加而增多, 但涡旋个数保持不变。

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外电场下CHBr3分子的光谱和解离特性 乃皮赛·吾买尔江, 闫好奎, 布玛丽亚·阿布力米提, 王丹琦, 向梅, 安桓 2022, 39(5): 624-630.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8502 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1379KB) ( )   利用密度泛函理论在B3LYP/6-311G++(d, p)基组上优化和计算分析三溴甲烷分子处于外电场中的基态稳定构型, 包括分子结构、总能量、偶极矩、键长、电荷分布、轨道能级、红外光谱和拉曼光谱及解离势能曲线等。结果表明: 随着Y轴(平行于1C-4Br连线)方向外电场的增加(0a.u.~0.02a.u.), 分子总能量减小, 1C-4Br键键长增大, 分子偶极矩增大, 分子能隙逐渐减小, 分子红外光谱呈现蓝移。对解离势能曲线的计算分析发现, 强度为0.02a.u.的外电场使得1C-4Br键断裂而降解, 为三溴甲烷进行外电场降解提供参考依据。