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金属学报 2024年第10期60卷 1405-1417页

作者：陈默涵北京大学工学院应用物理与技术研究中心、高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京科学智能研究院北京100080

基于量子力学基本原理的密度泛函理论(DFT)可以有效预测材料性质,如今它在物理、化学、材料、生物等领域的研究工作中已得到广泛应用。随着对材料领域的深入研究,进一步提升DFT的精度和效率已成为迫切需求,但精度和效率往往不可兼得。... 详细信息

基于量子力学基本原理的密度泛函理论(DFT)可以有效预测材料性质,如今它在物理、化学、材料、生物等领域的研究工作中已得到广泛应用。随着对材料领域的深入研究,进一步提升DFT的精度和效率已成为迫切需求,但精度和效率往往不可兼得。近年来,在AI for Science理念的引领下,基于深度学习的电子结构计算方法迅速发展,有望解决电子结构计算中精度和效率不能两全的困境。然而,只有稳定可靠的DFT软件平台才能保证深入研究和持续推动AI辅助电子结构计算方法的广泛应用,这既充满挑战又蕴含机遇。在此背景下,本文主要从物理模型、深度学习算法和软件开发3方面介绍国产开源DFT软件ABACUS(atomic-orbital based ab-initio computation at UStc,中文名原子算筹)从开发2.2版本(2022年4月发布)到发布3.7版本(2024年7月发布)期间的进展及其与深度学习算法的融合和应用。

关键词： ABACUS 密度泛函理论开源软件深度学习计算材料科学

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基于基因表达式编程的数据驱动湍流建模

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力学学报 2021年第10期53卷 2640-2655页

作者：赵耀民徐晓伟北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 澳大利亚墨尔本大学机械工程系澳大利亚墨尔本3010

计算流体动力学是湍流研究的重要手段,其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用.雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度,而实际工程应用中常用的模型往往精度有限.近年来,数据驱动的湍流建模方法得到越... 详细信息

计算流体动力学是湍流研究的重要手段,其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用.雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度,而实际工程应用中常用的模型往往精度有限.近年来,数据驱动的湍流建模方法得到越来越多的关注.本文介绍了基于基因表达式编程(gene-expression programming,GEP)方法的湍流建模相关进展.本文首先讨论基因表达式编程应用于湍流建模的具体方法,包括基本算法、显式代数应力模型和湍流传热两种建模框架、模型测试方法以及损失函数设置等.在此基础上,基因表达式编程方法被应用于涡轮叶栅尾流混合、竖直平板间自然对流、三维横向流中的射流等问题.结果表明,GEP可以有效提升常用模型对于尾流混合损失、壁面热通量等关键参数的预测精度.基因表达式编程方法可以显式给出模型方程,因此模型具有可解释性强等特点.基于双向耦合方法得到的模型还被证明具有较好的后验测试精度和鲁棒性.基因表达式编程方法还被初步应用于大涡模拟亚格子应力和边界层转捩等问题的建模,在不同湍流建模领域表现出很大的潜力.

关键词：湍流雷诺平均模拟显式代数应力模型湍流传热模型基因表达式编程机器学习

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弱磁化等离子体中受激拉曼散射和受激布里渊散射抑制研究

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计算物理 2023年第2期40卷 136-146页

作者：周远志郑春阳刘占军曹莉华程瑞锦贺贤土北京大学物理学院应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

本文针对典型激光聚变等离子体参数条件,利用动理学粒子模拟程序研究横向磁场和激光带宽在抑制受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)中的作用。模拟发现横向磁场对非均匀等离子体中SRS的非线性自共振增强有显著抑制作用,分析认为横... 详细信息

本文针对典型激光聚变等离子体参数条件,利用动理学粒子模拟程序研究横向磁场和激光带宽在抑制受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)中的作用。模拟发现横向磁场对非均匀等离子体中SRS的非线性自共振增强有显著抑制作用,分析认为横向磁场作用于SRS激发的电子等离子体波(EPW)势阱中的俘获电子,使它们在横向上加速,对EPW造成非线性阻尼,同时减小EPW的非线性频移量,从而缩窄非均匀等离子体中SRS的自共振空间,极大降低SRS反射率。在此基础上利用横向磁场抑制SRS的特性,以及SBS增长对激光带宽的敏感性,提出了利用横向磁场和宽带激光将SRS和SBS同时抑制在低反射率水平的方案。在采用数十特斯拉横向磁场和实验中易于达到的千分之一量级的激光带宽时以及慢性约束聚变(ICF)相关参数下,SBS和SRS的反射率都得到了有效抑制。

关键词：受激拉曼散射受激布里渊散射非线性动理学效应磁化等离子体自共振

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Corrosion behavior of Hastelloy C22 coating produced by laser cladding in static and cavitation acid solution

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2014年第5期24卷 1610-1618页

作者：王勤英白树林刘宗德北京大学工学院材料科学与工程系高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室应用物理与技术研究中心湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 华北电力大学电站设备状态检测与控制教育部重点实验室北京102206

The Hastelloy C22 coatings on Q235 steel substrate were produced by high power diode laser cladding technique. Their corrosion behaviors in static and cavitation hydrochloric, sulfuric and nitric acid solutions were investigated. The electrochemical results show that corrosion resistance of coatings in static acid solutions is higher than that in cavitation ones. In each case, coating corrosion resistance in descending order is in nitric, sulfuric and hydrochloric acid solutions. Obvious erosion-corrosion morphology and serious intercrystalline corrosion of coating are noticed in cavitation hydrochloric acid solution. This is mainly ascribed to the aggressive ions in hydrochloric acid solution and mechanical effect from cavitation bubbles collapse. While coating after corrosion test in cavitation nitric acid solution shows nearly unchanged surface morphology. The results indicate that the associated action of cavitation and property of acid solution determines the corrosion development of coating. Hastelloy C22 coating exhibits better corrosion resistance in oxidizing acid solution for the stable formation of dense oxide film on the surface.

关键词： Hastelloy C22 coating laser cladding acid solution cavitation corrosion electrochemical impedance spectroscopy

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激波/平板层流边界层干扰熵增特性

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航空学报 2023年第21期44卷 269-286页

作者：宋家辉许爱国苗龙廖煜淦梁福文田丰聂明卿王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081 北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室北京100088 冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室绵阳621900 北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室北京100081 北京大学工学院应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京理工大学重庆创新中心重庆404100

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平... 详细信息

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平衡统计物理学的离散玻尔兹曼方法(DBM)对高马赫数规则反射及激波/层流平板边界层干扰问题进行了仿真研究,借助高阶非守恒动理学矩,DBM可以方便地捕捉黏性和热流等热力学非平衡效应,并定量化研究两者引起的熵产生率。结果表明:对于规则反射,反射激波中的非平衡强度强于入射激波;对于激波/层流平板边界层干扰,激波中黏性引起的熵产生率占主导,边界层中热流引起的熵产生率占主导,两种熵产生率的强度均随马赫数的增加而增强。研究结果可为评估进气道内的流动品质提供理论指导。

关键词：超燃冲压发动机熵增非平衡特性离散玻尔兹曼方法激波/层流边界层干扰

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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

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物理学进展 2024年第2期44卷 49-72页

作者：张航陈默涵高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心北京大学工学院北京100871 北京大学物理学院北京100871 北京科学智能研究院北京100080

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简... 详细信息

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括Kohn-Sham密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹(ABACUS)中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

关键词：温稠密物质第一性原理分子动力学机器学习原子算筹

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时-空守恒元解元(CE/SE)方法综述

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力学进展 2011年第4期41卷 447-461页

作者：刘凯欣王景焘王刚陈千一付峥吴士玉北京大学工学院力学与空天技术系湍流与复杂系统研究国家重点实验室北京100871 北京大学高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心北京100871 中国科学院力学研究所北京100190

时-空守恒元解元方法是近年来兴起的一种全新的高分辨率守恒型方程计算方法.它具有物理概念清晰、计算精度高和格式构造简单等优点,是一种具有广阔发展前景的计算方法.本文详细地介绍了CE/SE方法的基本原理、发展历史、应用情况和最新进... 详细信息

时-空守恒元解元方法是近年来兴起的一种全新的高分辨率守恒型方程计算方法.它具有物理概念清晰、计算精度高和格式构造简单等优点,是一种具有广阔发展前景的计算方法.本文详细地介绍了CE/SE方法的基本原理、发展历史、应用情况和最新进展,并指出了当前研究的不足和发展方向.

关键词： CE/SE方法守恒律方程组冲击动力学等位集方法

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激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

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强激光与粒子束 2021年第1期33卷 1-60页

作者：王立锋叶文华陈竹李永升丁永坤赵凯歌张靖李志远杨云鹏吴俊峰范征锋薛创李纪伟王帅杭旭登缪文勇袁永腾涂绍勇尹传盛曹柱荣邓博杨家敏江少恩董佳钦方智恒贾果谢志勇黄秀光傅思祖郭宏宇李英骏程涛高振方丽丽王保山王英华曾维新卢艳旷圆圆赵振朝陈伟戴振生谷建法葛峰峻康洞国张桦森乔秀梅李蒙刘长礼申昊许琰高耀明刘元元胡晓燕徐小文郑无敌邹士阳王敏朱少平张维岩贺贤土北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院北京100871 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800 中国矿业大学(北京) 北京100083 中国海洋大学数学科学学院山东青岛266100 安徽大学物理与材料科学学院合肥230039

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控... 详细信息

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象(如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸)中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置(NIF)内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。

关键词：激光聚变惯性约束聚变流体力学不稳定性高能量密度物理非线性流动辐射流体力学内爆物理

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基于基因表达式编程和符号回归神经网络的大涡模拟建模

基于基因表达式编程和符号回归神经网络的大涡模拟建模

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：李昊辰赵耀民北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

流体力学应用中常需要引入多种物理模型,例如大涡模拟的亚格子应力模型、壁面模型等。在针对大涡模拟模型的数据驱动建模过程中,一个关键问题是如何快速准确地训练模型表达式。作为训练显式模型方程的常用方法,符号回归是一种在符号表... 详细信息

流体力学应用中常需要引入多种物理模型,例如大涡模拟的亚格子应力模型、壁面模型等。在针对大涡模拟模型的数据驱动建模过程中,一个关键问题是如何快速准确地训练模型表达式。作为训练显式模型方程的常用方法,符号回归是一种在符号表达式空间内,针对给定数据集搜索其最佳描述模型的回归分析方法。相对于深度神经网络等方法获得的"黑箱"模型,符号模型具有紧凑性、可解释性强的特点,并且一般有良好的泛化能力,因此在物理建模等领域有重要的应用价值。以基因表达式编程(gene-expression programming,GEP)为代表的遗传算法是处理符号回归问题的最常用方法。然而,遗传算法的寻优过程是一种无方向性的全局随机搜索,难以针对表达式中出现的常数系数进行定向优化,因此存在模型难以优化常数系数、训练过程收敛效率较低等缺点。本研究针对以上缺陷,发展了一种基于基因表达式编程和符号回归神经网络的物理建模方法,称之为基因表达编程神经网络(gene-expression programming neural network,GEPNN)。该方法基于GEP算法的基本架构,将符号表达式编码为染色体的形式,通过模仿自然选择机制,对包含大量个体的种群进行迭代寻优。本研究将符号回归神经网络引入到GEP的寻优过程,在迭代过程中选择GEP提供的染色体个体构建神经网络,将染色体中的常数系数转化为神经网络中的可训练权重,利用梯度快速优化神经网络,寻找到局部最优的常数系数。待神经网络优化告一段落,将网络结构还原为GEP中的染色体,以继续进行GEP的迭代寻优。我们首先引入理想气体状态方程等不同复杂程度的物理问题作为测试算例,验证了GEPNN算法可以快速收敛得到显式方程,且方程系数更加准确。我们将GEPNN算法应用于大涡模拟的亚格子应力建模和槽道流壁面模型建模。相较于传统GEP算法的建模结果,GEPNN算法得到的模型表达式更为精准,在先验测试中表现出更高的相关性。我们进一步将训练得到的模型方程应用于后验测试。在均匀各向同性湍流的大涡模拟中,基于GEPNN亚格子应力模型的数值模拟可以准确预测高阶湍流统计量,与DNS结果吻合性较好。我们还将训练得到的壁面模型应用于槽道流大涡模拟,GEPNN模型在不同雷诺数的槽道流算例中表现出更好的泛化能力。综上可见,GEPNN结合了GEP全局随机搜索的优势与符号回归神经网络的局部优化能力,在物理建模应用中可以快速准确地得到目标表达式及其模型系数。

关键词：符号回归神经网络基因表达式编程大涡模拟模型

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强顺压梯度和壁面曲率对叶栅边界层流动与传热的影响

强顺压梯度和壁面曲率对叶栅边界层流动与传热的影响

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：王太阳赵耀民北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

高压涡轮(High-Pressure Turbine,HPT)作为航空发动机中的关键部件,通常运行于高温、高压、高雷诺数和高马赫数、强来流扰动等极端工况之下,其气动和换热直接影响到发动机性能和寿命。高压涡轮的极端工况不但导致边界层内极端复杂的流... 详细信息

高压涡轮(High-Pressure Turbine,HPT)作为航空发动机中的关键部件,通常运行于高温、高压、高雷诺数和高马赫数、强来流扰动等极端工况之下,其气动和换热直接影响到发动机性能和寿命。高压涡轮的极端工况不但导致边界层内极端复杂的流动和传热机理,而且也给常规实验和数值模拟手段带来挑战。本研究基于高压涡轮高精度大涡模拟数据库(Zhao&Sandberg,*** Mech.,2020),关注涡轮叶栅压力侧边界层的流动和传热机理。我们发现,叶片压力侧边界层受到强顺压梯度与壁面曲率诱导的G?rtler不稳定性两种因素的共同作用。一方面,顺压梯度的稳定机制抑制了边界层内速度脉动的生长,使平均流动保持层流状态。因此,在远离叶片尾缘的区域,速度边界层具有自相似性,可以用Falker-Skan方程近似描述,同时获得表面摩擦系数的良好估计。另一方面,在叶片边界层下游,随着G?rtler数迅速增大,G?rtler不稳定性逐渐发挥主导作用,导致边界层内速度脉动快速增长,对应于近壁区小尺度涡结构的生成。这些涡结构引起近壁区流体的法向输运,诱导类蘑菇状结构从壁面生长,引起动量和能量的剧烈掺混,极大地提高了壁面热流量,这也导致了雷诺比拟的失效。由本数据库中不同算例出发,我们还进一步讨论了来流湍流强度和长度尺度对于压力侧边界层传热的影响。当来流湍流强度较小时,由于边界层对小波长扰动的选择放大机制(Nagarajan et al.,*** Mech.,2007),来流湍流长度尺度较大的算例中边界层内速度脉动较弱;同时叶片表面的传热强度也较弱,此时滞止流区间的表面传热可以由"等效湍流强度"模型很好地刻画。而当来流湍流强度较强时,近壁区涡结构更加混乱无序,进一步增强了流动的法向输运,使壁面热流显著提升。

关键词：涡轮叶栅边界层强顺压梯度壁面曲率边界层结构传热

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