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2024年, 第41卷, 第4期
刊出日期：2024-07-25 上一期    下一期
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几类典型应用的代数多重网格算法并行可扩展瓶颈分析 毛润彰, 杜皓, 田鸿运, 黄思路, 张鹏, 徐小文 2024, 41(4): 403-417.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8737 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(26445KB) ( )   对于大规模稀疏线性代数方程组，代数多重网格(AMG)是具有最优计算复杂度的求解算法，但由于其算法流程复杂，导致难以取得理想的并行可扩展性能，难以定位和分析其并行可扩展瓶颈。通过分析AMG算法的性能骨架和通信模式，归纳了三类可扩展性能瓶颈，并引入稀疏矩阵通信域的概念来刻画稀疏模式对并行通信性能的影响。针对辐射流体力学、结构力学、航空发动机三类实际应用的6个具有不同稀疏模式特征的典型算例，实现了多粒度并行可扩展性能瓶颈的定位与分析，总结了未来AMG并行性能优化方向。

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定常不可压Navier-Stokes方程的两水平grad-div稳定化有限元方法 王雅莉, 郑波, 尚月强 2024, 41(4): 418-425.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8731 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5605KB) ( )   使用标准的混合有限元方法数值求解定常不可压Navier-Stokes方程所得速度解的精度常常受压力的影响。为了克服或减弱压力对速度精度的影响，本文将grad-div稳定化方法和两水平有限元方法相结合，提出数值求解定常不可压Navier-Stokes方程的两水平grad-div稳定化有限元方法。首先在粗网格上求解grad-div稳定化的非线性Navier-Stokes问题，然后在细网格上分别求解grad-div稳定化的Stokes型、Newton型和Oseen型的线性问题。最后给出数值算例验证两水平grad-div稳定化有限元方法的高效性。

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波动方程的高精度数值解方法 袁洪旺, 王希胤, 李金 2024, 41(4): 426-439.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8732 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(11078KB) ( )   本文提出重心Lagrange插值配点法求解(2+1)维波动方程和(3+1)维波动方程。介绍了重心Lagrange插值法并且给出配点法的矩阵格式。波动方程的解函数和初边值条件均用Lagrange插值近似，利用配点法得到离散方程，获得波动方程的矩阵表达式。分别用附加法和置换法施加波动方程的初边值条件。数值算例表明：重心Lagrange插值配点法求解波动方程具有较高的计算精度和计算效率。

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柱坐标系“分解”思想WLP-FDTD的PML实现 朱大伟, 陈海林, 徐佳琛, 周晓晓, 徐博奥 2024, 41(4): 440-452.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8728 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7777KB) ( )   从柱坐标系下传统时域有限差分(FDTD)的基本方程出发，解决传统加权Laguerre多项式(WLP)-FDTD算法在计算上存在内存消耗大和计算效率低的问题。本文的“分解”思想分为两部分，首先，在频域上对电磁场方程进行第一次分解，并代入PML参数，将分解后的时域方程转换至Laguerre域，使原三维双向求解问题转换为二维单向规模来求解，降低计算的内存消耗。其次，通过LU分解对求解规模降低后的Laguerre域系数矩阵实施第二次分解，实现规避大型稀疏矩阵求解的第一步，进而通过追赶法求解三对角电磁场方程，以提高计算效率，带动内存消耗的降低。算例证明: 对比传统WLP-FDTD法，本文算法可在内存消耗上降低57%，计算效率提高49%左右，且在不丢失精度的情况下，具有较好的电磁波吸收效果，误差反射系数可达-70 dB。

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CCWENO型高阶熵稳定格式的保平衡性 刘沙沙, 郑素佩, 张成治, 封建湖 2024, 41(4): 453-462.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8744 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1947KB) ( )   针对带源项的底部非平坦浅水波方程，本文对高阶紧致中心加权基本无振荡(CCWENO)型熵稳定格式的保平衡性进行研究，证明了格式的保平衡性，通过一维和二维数值算例进行验证。数值结果表明：高阶CCWENO型熵稳定格式具有保平衡性，即便在较粗网格下也能够准确捕捉解的微小扰动。

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微管流中双囊泡惯性迁移的有限元分析 刘烨琳, 郝鹏, 丁明明 2024, 41(4): 463-471.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8755 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6103KB) ( )   采用基于流固耦合的有限元方法, 对二维模型中的双囊泡组合在微管流中惯性迁移现象进行系统研究。研究结果表明: 初始位置对称的两个圆形囊泡惯性迁移的平衡位置始终关于管道中央对称, 且随着雷诺数(Re)的增加, 其平衡位置会越来越靠近管道中央。其次, 对由圆形囊泡和椭圆形囊泡组成的双囊泡体系, 当圆形囊泡和椭圆形囊泡初始位置分别位于管道两侧时, 圆形囊泡惯性迁移的平衡位置随着雷诺数的增加几乎不变, 但椭圆形囊泡向管道中心偏移并跨过中心向管道另一侧偏移, 最后随着雷诺数的增加而缓慢向壁面移动, 并在Re≥500时, 椭圆形囊泡的径向位移达到最大值。当圆形囊泡和椭圆形囊泡位于管道同侧时, 随着雷诺数的增加, 无论椭圆形囊泡是前置或后置, 其最终平衡位置更接近管道壁面。根据囊泡的受力阐释了其背后的物理机制, 相关结果可促进惯性微流控技术在囊泡的精准分离和操控等方面的应用。

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低气压容性耦合Ar/CH4等离子体的放电特性 殷桂琴, 姜永博, 黄禹田 2024, 41(4): 472-479.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8734 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(9627KB) ( )   为进一步了解在容性耦合等离子体放电时的放电机理与入射到极板处的粒子状态, 通过Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC)程序模拟氩气与甲烷混合气体放电, 分别对不同Ar/CH4比例和不同极板间隙条件下的电子密度、CH4+、CH3+基团粒子浓度、电子能量概率(EEPF)分布, 以及对到达极板边界粒子的能量角度分布和粒子种类进行模拟计算。模拟结果表明: 在固定Ar/CH4为9∶1时随着极板间距的增大, 放电中心的电子密度、Ar+、CH2-和H-离子密度均呈现先下降后上升的趋势, 而CH4+与CH3+离子密度变化趋势正好相反; 极板间距增大时, 电子能量概率分布由双麦克斯韦分布变为单麦克斯韦分布; 到达极板中电子占比较大, 随极板间距的变小, 到达极板处的Ar+概率先降低后升高, 到达极板的CH4+、CH3+和CH2+离子比例随极板间距增加而增加。在固定极板间距时, 随CH4含量的增加, 放电中心的电子密度、Ar+密度均呈现下降趋势, CH4+、CH3+、CH2-和H-离子的密度均呈上升趋势; 极板间距的变化对EEPF分布的影响比CH4比例变化的影响更加明显; 随CH4含量的增加, 到达极板的电子占比变化不明显, Ar+离子的占比明显减小, 而到达极板处的CH4+、CH3+、CH2+和其余的离子比例均有增加。

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Mn、Sn掺杂无机钙钛矿CsPbI3非辐射复合的第一性原理计算 张仁杰, 陶红帅 2024, 41(4): 480-486.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8738 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3564KB) ( )   采用密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了Mn、Sn掺杂α-CsPbI3体系的缺陷形成能、转变能级和载流子非辐射复合系数。研究发现: Mn掺入CsPbI3会使体系的晶格常数明显减小, Sn掺杂体系晶格常数略有减小, 提高了材料的稳定性。两种体系的深能级缺陷均靠近导带, 主要从导带中俘获电子。Mn、Sn元素的掺杂改善了完美体系声子能量分布情况, 增强了材料的热输运能力。Sn掺杂体系空穴的非辐射复合系数远高于Mn掺杂体系, 且两种掺杂体系非辐射复合系数均高于含本征缺陷Ii和ICs的CsPbI3, 因此杂质可能引入了非辐射复合中心。这些研究结果为Mn、Sn掺杂CsPbI3体系在实验上提供了数据支持, 为CsPbI3钙钛矿的掺杂改性提供了理论指导。

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含能离子盐TKX-50状态方程及热力学性质的第一性原理研究 周梦, 陶应奇, 周晓云, 张宇龙, 程才 2024, 41(4): 487-493.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8740 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3363KB) ( )   采用基于密度泛函理论的第一性原理, 结合德拜模型和晶格动力学理论, 对二羟基联四唑羟铵盐(TKX-50)在温度和压力加载下的热力学性质和状态方程进行研究。计算表明: TKX-50在零温零压下的晶格参数与实验数据吻合较好。在此基础上分析了TKX-50在不同温度和压力下的晶格结构演化及相关热力学性质。结果表明: TKX-50晶格沿a轴方向最难压缩; 定容热容受压强和温度强烈的影响; 德拜温度、格林艾森常数、热膨胀系数受压强影响较大。计算结果不仅揭示了温度和压力对TKX-50热力学性质的影响规律, 为预测和解释其温压性能提供指导, 也能够为TKX-50工程应用和风险评估提供必要的理论支撑。

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冷速对快凝Ni50Zr50合金团簇结构遗传与演化特性的影响 祁青华, 文大东, 陈贝, 高明, 易洲, 邓永和, 邓科, 彭平 2024, 41(4): 494-502.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8742 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10257KB) ( )   采用分子动力学方法, 模拟研究6个不同冷速下液态Ni50Zr50合金的快速凝固过程, 用双体分布函数、原子团类型指数、遗传跟踪等方法对快凝合金的微结构特征与演化特性进行表征和分析。结果表明: Ni50Zr50玻璃合金中数目最多的原子组态是Z11 Kasper团簇, 而非二十面体。快凝合金中的特征团簇趋向于聚合在一起形成中程序, 其数目随冷速的降低而增加。基本团簇的结构遗传均起始于Tm~Tg的过冷液相区, 其中Z11 Kasper团簇在Tg以上的附近温区具有最高阶段遗传分数。提高冷速有利于过冷液相区中基本团簇的阶段遗传分数增加和遗传的起始温度升高。冷速诱导的Ni50Zr50合金玻璃形成能力(GFA)的提高可以归因于特征团簇(如Z11 Kasper团簇)遗传能力的增强。

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低渗油藏不规则缝网压裂水平井产能预测模型 刘思雨, 王坤, 谢明英, 冯沙沙, 李黎, 高阳 2024, 41(4): 503-514.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8745 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6840KB) ( )   考虑压裂形成的非均匀复杂裂缝网络，引入分形理论并结合裂缝系统应力敏感特征刻画流体渗流能力，建立了低渗油藏压裂水平井三区耦合渗流产能预测模型。采用拉普拉斯变换、摄动理论和数值反演的方法求得产能模型解析解，并推导水平井均匀布缝和非均匀布缝两种情况下单井产能公式。基于海上油田某压裂水平井基本参数和真实生产数据验证了所建产能预测模型的可靠性，并对水平井产能影响因素进行分析。研究结果表明：应力敏感系数和启动压力梯度越小，产油量越大；分形维数越大，水平井产量越大；产油量随裂缝数量和裂缝半长的增大而增大，但增长幅度减缓，参数存在最优值。

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基于源荷节点对供电效率的分布式电站并网选址研究 吴克祥, 邹艳丽 2024, 41(4): 515-522.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8736 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7030KB) ( )   结合网络的拓扑和电气特性研究了加权网络上分布式电站最佳入网选址问题。首先, 采用二阶类Kuramoto相振子模型进行电网建模, 采用等耦合强度下的网络潮流值对电网线路进行加权, 构建电网加权网络模型; 通过计算每个负荷节点到各发电机节点的传输效率和每个负荷节点从各发电机节点吸收功率大小, 定义源荷节点对供电效率指标。然后根据每个负荷节点的源荷节点对供电效率值大小定义三种入网方式, 研究在耦合加权网络上分布式电站以三种不同入网方式并网对电网同步性能的影响。研究表明: 在耦合加权网络上, 分布式电站按供电效率值从小到大排列的接入方式为最优, 其次是随机选择负荷节点的方式, 供电效率值从大到小排列的方式最差。因此, 分布式电站以源荷节点对供电效率指标较小的负荷节点开始接入电网, 电网的同步性能最好。

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呈现超级多稳态忆阻系统的动力学与实现 陈吉, 徐毅, 刘进福, 刘涛 2024, 41(4): 523-534.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8760 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(16860KB) ( )   在一类参数可调的混沌系统的基础上, 用忆阻器替换原系统电路的增益电阻, 建立改进型四维忆阻混沌系统。理论分析显示, 新系统具有两个线平衡点且能产生自激吸引子。通过分岔图、李雅普诺夫指数谱和相轨图等数值仿真手段分析新系统的动力学, 发现随着初始条件的变化, 参数固定的忆阻系统不仅存在无穷多吸引子共存的超级多稳态现象, 还存在复杂的暂态行为。最后, 设计忆阻系统的等效电路, 硬件电路实验和PSIM电路仿真验证了数值仿真的正确性。

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质量交换网络传质负荷不可行处理及动态调控策略 熊思恒, 段欢欢, 崔国民, 肖媛, 易智康 2024, 41(4): 535-546.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8733 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(6962KB) ( )   本文分析了惩罚函数法处理传质约束对质量交换网络优化带来的消极影响，提出一种传质负荷动态调控策略，采用不同的调控方式处理单元传质约束，即衰减违反传质约束单元的传质负荷或消除单元，以保证结构中的传质单元不违反约束。通过两个质量交换网络算例进行验证，所得结果相比文献最优结果分别下降2 943 ＄·a-1和1 697 ＄·a-1，且结构中传质单元数量增加，证明了策略的有效性。