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可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

物理学报 2018年第8期67卷 10-20页

作者：李德梅赖惠林许爱国张广财林传栋甘延标福建师范大学数学与信息学院福建省分析数学及应用重点实验室福州350117 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京100088 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 清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心北京100084 北华航天工业学院廊坊065000

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couett... 详细信息

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.

关键词：离散Boltzmann方法 Rayleigh-Taylor不稳定性可压流体动理学模型

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LARED集成程序辐射输运模拟的性能优化

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计算物理 2017年第3期34卷 320-327页

作者：李双贵杭旭登杨容宋鹏翟传磊齐进北京应用物理与计算数学研究所北京100094

分析定位高置信度辐射传输数值模拟效率瓶颈,针对物理模型和数值离散格式的特点,优化求解算法和程序设计,改进激光聚变二维总体LARED集成程序,提高输运建模模拟黑腔靶实验模型的计算效率:在相同的并行计算条件下,辐射输运方程离散求解... 详细信息

分析定位高置信度辐射传输数值模拟效率瓶颈,针对物理模型和数值离散格式的特点,优化求解算法和程序设计,改进激光聚变二维总体LARED集成程序,提高输运建模模拟黑腔靶实验模型的计算效率:在相同的并行计算条件下,辐射输运方程离散求解计算效率提高2倍以上,全过程整体模拟计算时间减半.

关键词：性能优化 LARED集成程序多群辐射输运计算子网格平衡格式激光聚变

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三维移动目标无源定位算法

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雷达科学与技术 2019年第3期17卷 280-284页

作者：王小英江怡帆赵悦华北电力大学数理学院北京102206 多伦多大学统计系加拿大M5S2E8 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 东北师范大学数学与统计学院吉林长春130024

无源定位已经成为雷达对抗中一项相当重要、不可或缺的技术。针对常态侦察时三维移动目标的无源定位问题,考虑了基于到达方位信息的代数几何概率定位方法,并给出了每一时刻目标位置误差随时间变化的关系,最后通过数值模拟展示了所研究... 详细信息

无源定位已经成为雷达对抗中一项相当重要、不可或缺的技术。针对常态侦察时三维移动目标的无源定位问题,考虑了基于到达方位信息的代数几何概率定位方法,并给出了每一时刻目标位置误差随时间变化的关系,最后通过数值模拟展示了所研究定位方法的精度。该算法基于运动学原理,充分利用了辐射源信号测量值的时空变化量信息,定位收敛速度快而且非常稳定,具有很强的实用性。以期在实际应用中对近空间或邻近空间中高速移动目标进行三维快速定位,更好地提供无源侦察中移动目标的方位情报信息。

关键词：无源定位三维移动目标到达方位代数几何概率方法

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多介质流体力学计算的谱体积方法

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爆炸与冲击 2017年第1期37卷 114-119页

作者：刘娜陈艺冰北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京100088 北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088

针对高维及多物理耦合计算耗费大等困难,设计适合多介质流动模拟的模板紧致、易于并行、高阶精度、计算耗费小的谱体积方法。该方法是求解双曲型守恒率谱体积方法的直接推广,针对多介质流动物质界面捕捉的困难,利用拟守恒格式的思想避... 详细信息

针对高维及多物理耦合计算耗费大等困难,设计适合多介质流动模拟的模板紧致、易于并行、高阶精度、计算耗费小的谱体积方法。该方法是求解双曲型守恒率谱体积方法的直接推广,针对多介质流动物质界面捕捉的困难,利用拟守恒格式的思想避免物质界面处的非物理振荡。数值模拟结果表明,本方法具有高阶精度、高分辨率,且节约计算量,并且可以有效避免物质界面处非物理振荡。

关键词：流体力学谱体积方法高精度刚性气体多介质模板紧致

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PWB方法在矩形开孔电大腔中的应用及其拓展

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太赫兹科学与电子信息学报 2018年第4期16卷 682-687,708页

作者：欧阳婷刘强赵翔闫丽萍周海京黄卡玛四川大学电子信息学院四川成都610064 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

用功率平衡(PWB)方法快速评估了在平面电磁波照射下矩形开孔电大腔内的平均场值水平,且随着频率的升高,此结果与全波分析软件所得结果的吻合度越来越高。为了得到更完备的腔内场环境描述,采用统计的方法生成不同入射频点下的腔内归一化... 详细信息

用功率平衡(PWB)方法快速评估了在平面电磁波照射下矩形开孔电大腔内的平均场值水平,且随着频率的升高,此结果与全波分析软件所得结果的吻合度越来越高。为了得到更完备的腔内场环境描述,采用统计的方法生成不同入射频点下的腔内归一化电场模值概率密度函数(PDF)图,并发现了腔壁电导率的变化对腔内归一化电场模值PDF的影响规律:在各入射频点下,随着腔壁电导率从10 S/m逐渐增大到107 S/m,腔内归一化电场模值PDF曲线越来越趋于平缓并趋于稳定;腔壁电导率为106 S/m和107 S/m时的腔内归一化电场模值PDF非常相似,以入射波频率在10 GHz时为例,利用PWB方法的原理说明了上述现象发生的原因。

关键词：矩形孔缝电大腔体功率平衡统计分析

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基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：胡开南李志远刘宇东华理工大学土木及建筑工程学院北京应用物理及计算数学研究所南方科技大学广东省湍流基础研究与应用重点实验室南方科技大学力学与航空航天工程系

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算... 详细信息

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算努森数的合理方法,并采用多特征值无量纲化策略,减少了计算资源的消耗,提高了计算速度。空间采用NND格式,时间采用三阶荣格—库塔格式。编写并行计算程序,实现并行计算,得到光刻机内部温度场、速度场和密度场。计算结果表明,光刻机中的氢气气封能起到很好的密封作用。在氢气气封的作用下,只有极微量的水蒸气和乙醇蒸汽从光刻机下部腔体逸出,到达光刻机腔体上部。这说明气封设计合理,可以防止光刻机顶部激光器被乙醇蒸汽和水蒸气污染。氢气经过气封流入光刻机下部腔体后,温度降低120K左右;进入光刻上部腔体后,温度下降60K左右。计算得到温度场与理论预估吻合良好。光刻机内部流场的计算结果可以为光刻机设计提供参考。此外,多组分、多尺度、大压力比且速度、温度变化剧烈的流场广泛存在于自然界和工业界,本文提出的计算策略具有推广价值。

关键词：多尺度流场多组分流动散坐标法(DOM) 光刻机内部流场谱方法多特征值无量纲策略

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准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

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物理学报 2017年第10期66卷 210-219页

作者：张扬孙顺凯丁宁李正宏束小建北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国工程物理研究院核物理与化学研究所绵阳621900

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具... 详细信息

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.

关键词：准球形电磁内爆 Z箍缩动态黑腔薄壳模型

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相邻双侧边盖驱动方腔流动的三维线性整体稳定性

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气体物理 2018年第3期3卷 1-8页

作者：胡军李杰权北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动(即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动)的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次, Taylor-Hood有限元在Chebys... 详细信息

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动(即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动)的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次, Taylor-Hood有限元在Chebyshev Gauss配置点上进行离散,同时Gauss配置点也可以用于线性稳定性方程的高阶有限差分格式离散.然后,离散得到的矩阵形式的广义特征值问题可以结合shift-and-invert算法采用隐式重启Arnoldi方法计算.最后,通过对线性稳定性方程特征值的计算,发现了一个最不稳定的驻定模态和两对对称行波模态.最不稳定的三维驻定模态的临界Reynolds数为Re_c=261.5,远远小于二维不稳定的临界Reynolds数Re_c^(2d)=1 061.7.通过画出这3类三维不稳定模态的流向扰动速度和扰动涡量的空间等值面图像,可以发现不稳定扰动位于稳态基本流的两个主涡区域,因此可以认为主涡区域是三维扰动失稳的主要能量来源地.

关键词：边盖驱动方腔流动整体稳定性临界Reynolds数行波模态 Taylor—Hood有限元

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弹塑性流体快速Rieman解

弹塑性流体快速Rieman解

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第十届全国流体力学学术会议

作者：程军波刘利北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京应用物理与计算数学研究所

本文针对一维和二维带von Mises's屈服条件的弹塑性流体,设计了一维和二维快速Rieman解法器,并用于高阶中心型拉格朗日格式。与采用迭代的稀疏波近似Rieman解相比,新的Rieman解法器节省了一半以上的计算时间。从一维和二维的计算结... 详细信息

本文针对一维和二维带von Mises's屈服条件的弹塑性流体,设计了一维和二维快速Rieman解法器,并用于高阶中心型拉格朗日格式。与采用迭代的稀疏波近似Rieman解相比,新的Rieman解法器节省了一半以上的计算时间。从一维和二维的计算结果来看,新的Rieman解法器很好地捕捉到了弹性激波、塑性激波、弹性稀疏波和塑性稀疏波。

关键词：弹塑性流体中心型拉格朗日格式 Riemann解快速

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高温超导高场线圈关键力学问题的等效各向异性模型

高温超导高场线圈关键力学问题的等效各向异性模型

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2018年全国固体力学学术会议

作者：夏劲北京应用物理与计算数学研究所

近年来以REBaCuO带材(RE代表Y、Dy、Gd等稀有元素)为代表的高温超导材料在制备工艺和超导电性方面取得了长足的进步。该材料拥有高临界温度、高临界电流、高临界磁场的独特优势,并且具有较好的力学强度和韧性,在能源、交通、医疗等国民... 详细信息

近年来以REBaCuO带材(RE代表Y、Dy、Gd等稀有元素)为代表的高温超导材料在制备工艺和超导电性方面取得了长足的进步。该材料拥有高临界温度、高临界电流、高临界磁场的独特优势,并且具有较好的力学强度和韧性,在能源、交通、医疗等国民经济各领域表现出巨大的发展潜力。其中,最引人瞩目的当属大型超导高磁场磁体。高温超导高场线圈服役环境为极低温、强电流、高磁场的多场耦合极端环境,长期承受强大的电磁力作用。电磁力可能导致超导材料出现明显的塑性变形,严重时甚至发生线圈撕裂事故,从而带来巨大的经济损失,而储存的大量磁能最终以热能形式进行释放,冷却液的迅速膨胀可能引发灾难性的后果。因此,研究高温超导高场线圈内的电磁力响应具有重要的现实意义。本文首先基于实用临界电流的磁场依赖关系,提出了高场线圈电磁学各向异性等效块状模型,采用高度非线性的E-J电磁本构关系,并借助棱边有限元技术求解获得了电流密度和磁场分布。相比于原始构型模型,该等效模型在不损失计算精度的条件下实现了至少四倍的计算加速。随后,为线圈建立了横观各向同性等效力学模型,并考虑超导带材之间的接触行为,利用电磁场模型所得的电磁力分布作为边界条件分析了线圈的力学响应,获得了几点重要和新奇的结论。当前发展的等效各向异性电磁-力模型已具备能力为高温超导高场磁体的设计研发提供有效的理论指导。

关键词：超导线圈电磁力各向异性有限元

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