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数学力学物理学高新技术交叉研究进展 ——中国交叉科学学会第十七届学术年会

作者：许爱国张广财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大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室

本文概述我们课题组近十年来在非平衡流动物理建模与模拟方面的思考与进展。

关键词：物理建模物理学 DBM 非平衡流动复杂流动

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复杂流动过程的DBM动理学建模与模拟

复杂流动过程的DBM动理学建模与模拟

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第十四届全国物理力学学术会议

作者：许爱国张广财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

复杂流体系统的形式各异,广泛存在于自然界和工程物理等领域。基于Navier Stokes的传统宏观流体模型不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度上往往不能满足实际需求,因此包含大量微介观结构、复杂非平衡... 详细信息

复杂流体系统的形式各异,广泛存在于自然界和工程物理等领域。基于Navier Stokes的传统宏观流体模型不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度上往往不能满足实际需求,因此包含大量微介观结构、复杂非平衡行为的复杂流动系统的物理建模、算法设计与信息提取均存在较高的挑战性。在Boltzmann方程基础上经过两次重要的粗粒化物理建模得到的离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)正在成为冲击波、燃烧、流体不稳定性、相变等非平衡复杂流体系统的一种全新的动理学描述、建模、模拟和分析方法。本报告综述本课题组近年来在该领域的主要进展。内容重点体现:(1)从数学建模角度,DBM模型与传统流体模型的唯一差异就是用离散Boltzmann方程取代原来的Navier-Stokes方程,但从物理建模角度,一个DBM模型相当于一个传统的流体模型外加一个关于热动非平衡效应的粗粒化模型;(2)利用DBM提供的信息,可以建立"无组织动量流"、"无组织能量流"、化学反应速率与熵增率之间的解析关系式;(3)DBM所提供的非平衡特征已经用于特征区域分布函数的主要特征恢复、复杂流体系统内各种界面的物理甄别与追踪、相变研究中划分"亚稳相分解"和"相畴增长"两个阶段的物理判据、Rayleigh Taylor不稳定性研究中划分可压效应两个阶段的物理判据等;(4)除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,研究结果可为现有程序或软件中宏观模型的改进(如修正项的构造)提供物理参考。

关键词：复杂流体非平衡动理学建模复杂物理场分析

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铈相变的LDA+G方法研究

铈相变的LDA+G方法研究

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第十七届全国相图学术会议暨相图与材料设计国际研讨会

作者：田明锋宋海峰戴希北京应用物理与计算数学研究所北京凝聚态物理国家重点实验室中国科学院物理研究所

LDA+G(LDA+Gutzwiller)方法是一种第一性原理强关联理论方法,由基于密度泛函理论的LDA近似与Gutzwiller变分法结合而成,该方法通过Gutzwiller变分法处理关联电子间的在位库伦作用,并对电子在不同格点间移动的动能进行重整化,从而能够较... 详细信息

LDA+G(LDA+Gutzwiller)方法是一种第一性原理强关联理论方法,由基于密度泛函理论的LDA近似与Gutzwiller变分法结合而成,该方法通过Gutzwiller变分法处理关联电子间的在位库伦作用,并对电子在不同格点间移动的动能进行重整化,从而能够较准确的描述强关联材料中的关联效应。采用该方法研究了金属铈在高压下的热力学稳定相,得到铈在中等压强范围(5-13GPa)的稳定相为α″相(变形的体心四方结构),其它相包括α′相(α-U结构)、α相(面心立方结构)以及bct相(体心四方结构)都是亚稳相或者不稳定相,该结果与最近的实验符合,对于澄清铈在中等压强范围的稳定相问题,具有重要意义。采用LDA+G方法研究了铈的α-γ同构相变问题,结果表明铈α-γ相变在零温情形能够发生(相变压力为负),说明该相变不仅仅由熵增驱动,还有其他驱动机制。与一种平均场势方法结合将LDA+G方法推广到有限温度情形,包含电子熵和声子熵的贡献得到了铈在温度、压力作用下的吉布斯自由能,由此得到铈α-γ相变过程中的熵增,计算结果表明电子熵和声子熵都对相变具有重要的贡献。计算得到铈的状态方程和α、γ两相含温含压相图,结果与实验符合。

关键词：铈相变 LDA+G方法

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超重核性质与合成机制的理论研究

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原子核物理评论 2014年第3期31卷 253-272页

作者：李璐璐吕炳楠王楠温凯夏铖君张振华赵杰赵恩广周善贵北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国科学院理论物理研究所理论物理国家重点实验室北京100190 深圳大学物理科学与技术学院广东深圳518060 中国科学院大学物理学院北京100049 北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室北京100871 华北电力大学数理系北京102206 兰州重离子加速器国家实验室原子核理论中心兰州730000 华中师范大学核物质科学协同创新中心武汉430079

探索原子核的电荷与质量极限,合成长寿命超重核是当前原子核物理研究的重要前沿问题之一。本文综述了我们近几年在超重原子核结构性质与合成机制方面取得的理论研究进展。在结构性质方面,利用处理对关联的粒子数守恒方法,基于推转壳模型... 详细信息

探索原子核的电荷与质量极限,合成长寿命超重核是当前原子核物理研究的重要前沿问题之一。本文综述了我们近几年在超重原子核结构性质与合成机制方面取得的理论研究进展。在结构性质方面,利用处理对关联的粒子数守恒方法,基于推转壳模型,系统研究了锕系核与超镄核低激发谱,发展了多维形状约束的协变密度泛函理论并用于研究锕系核势能面和裂变位垒以及N=150同中子素中的非轴对称八极关联等。在超重核合成机制方面,系统研究了利用重离子熔合反应合成超重核的三步过程,包括俘获过程——提出了一个位垒穿透概率新公式、熔合过程——提出了一个基于动力学形变势能面的双核模型、存活过程——系统研究了激发态超重复合核存活概率等。系统研究了合成超重核的热熔合反应,得到的熔合蒸发截面与实验符合,并预言了合成119和120号超重元素的生成截面。

关键词：超重核粒子数守恒方法推转壳模型协变密度泛函理论重离子熔合反应双核模型

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可压缩Rayleigh-Taylor不稳定性及湍流混合的直接数值模拟

可压缩Rayleigh-Taylor不稳定性及湍流混合的直接数值模拟

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第八届全国流体力学学术会议

作者：田保林张又升李新亮北京应用物理与计算数学研究所中国科学院力学研究所LHD国家重点实验室

在可压缩湍流的直接数值模拟(DNS)软件OPENCFD基础上,通过进行RT不稳定性数值模拟的适应性改进,形成了适合可压缩RT不稳定性和后期湍流混合的DNS软件,直接数值模拟了可压缩RT不稳定性引起的湍流混合问题。大量直接数值模拟结果表明,RT... 详细信息

在可压缩湍流的直接数值模拟(DNS)软件OPENCFD基础上,通过进行RT不稳定性数值模拟的适应性改进,形成了适合可压缩RT不稳定性和后期湍流混合的DNS软件,直接数值模拟了可压缩RT不稳定性引起的湍流混合问题。大量直接数值模拟结果表明,RT不稳定性后期的湍流混合发展和初始扰动密切相关,包括初始扰动模态、密度比、加速历史等等。利用DNS结果,对比了二维不稳定性和三维不稳定性发展的异同,三维RT不稳定性发展要快于二维结果。同时,还分析了混合区宽度、分子混合程度的演化情况。多模态和随机模态扰动,后期混合区宽度的发展要慢于单模态情形。而且,在某些特定情况下,混合区宽度并不满足常用的二次律形式。

关键词：直接数值模拟湍流混合 Raylegh-Taylor不稳定性

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可压流体的三维格子玻尔兹曼模型

可压流体的三维格子玻尔兹曼模型

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中央高校基本科研业务费项目研究成果学术交流会

作者：陈锋许爱国张广财李英骏中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家级重点实验室北京100088

本文提供了一个可压流体的高效三维格子玻尔兹曼模型.这个改进的模型由Kataoka和Tsutahara的三维离散速度模型、一个有限差分算法和一个人工粘性项来构成.人工粘性项的引入使得模型更容易满足von Neumann稳定性条件.改进后的算法既适用... 详细信息

本文提供了一个可压流体的高效三维格子玻尔兹曼模型.这个改进的模型由Kataoka和Tsutahara的三维离散速度模型、一个有限差分算法和一个人工粘性项来构成.人工粘性项的引入使得模型更容易满足von Neumann稳定性条件.改进后的算法既适用于低速流体系统,也适用于高速流体系统.通过该方法,成功地模拟了激波与气泡相互作用的三维问题.模拟结果与实验以及其他数值方法一致.

关键词：高速流体系统三维格子玻尔兹曼模型激波气泡

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单模Rayleigh-Taylor气泡在混沌阶段的解析增长标度律

单模Rayleigh-Taylor气泡在混沌阶段的解析增长标度律

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第十三届全国流体力学学术会议

作者：刘昌文张又升肖左利北京大学应用物理与技术研究中心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大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性是流体力学最经典的问题之一,广泛发生于自然界和工程问题中。准确预测其前沿气泡演化具有重要的科学意义和工程应用价值。半个多世纪以来,众多学者基于Layzer提出的势流模型框架,发展了若干能较好预测势流... 详细信息

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性是流体力学最经典的问题之一,广泛发生于自然界和工程问题中。准确预测其前沿气泡演化具有重要的科学意义和工程应用价值。半个多世纪以来,众多学者基于Layzer提出的势流模型框架,发展了若干能较好预测势流阶段气泡演化的理论模型。然而,单模RT不稳定性的非线性气泡演化仍然是一个尚未完全解决的难题,具有较大的挑战性。本文获得了单模RT不稳定性气泡混沌发展阶段的增长率解析标度关系,并得到Wei和Bian等人高分辨率数值模拟结果的验证。该标度关系在经典势流理论模型的基础上引入尺度变换,实现了对不稳定性增长率线性阶段、非线性阶段、准稳态阶段、再加速阶段以及混沌阶段的全阶段统一建模。本文还发现,单模RT不稳定性的气泡高度演化最终会进入一个关于时间平方幂次律增长的混沌发展阶段,类似于多模RT后期阶段观察到的湍流混合行为。图1所示理论增长标度律与Wei的数值拟合结果相吻合,证实本文所提出标度律的可靠性。这项工作预计将为深入理解多模RT不稳定性的湍流混合标度关系提供指导。

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性势流模型混沌发展阶段解析标度律

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化学反应速率对爆轰特性的影响研究—基于离散Boltzmann模型

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凝聚态物理学进展 2015年第3期4卷 85-92页

作者：张玉东许爱国张广财祝成民北京航空航天大学宇航学院北京北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北京爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学) 北京

基于我们课题组以前提出的高速可压LBGK模型[Gan, Xu, Zhang, Yang, EPL 103 (2013) 24003],发展了一个适用于模拟爆轰问题的离散Boltzmann模型。化学反应率模型采用只保留增长项的Lee模型。基于新构建的模型,模拟了不同反应速率的爆轰... 详细信息

基于我们课题组以前提出的高速可压LBGK模型[Gan, Xu, Zhang, Yang, EPL 103 (2013) 24003],发展了一个适用于模拟爆轰问题的离散Boltzmann模型。化学反应率模型采用只保留增长项的Lee模型。基于新构建的模型,模拟了不同反应速率的爆轰情形,找到了一个临界反应速率。当反应速率等于临界反应速率时,模拟的结果与CJ理论值符合较好。当反应速率低于临界反应速率时,爆轰波的波结构中会出现von-Neumann峰,之后从峰值点过渡到稳态,稳态为CJ爆轰状态。当反应速率高于临界反应速率时,爆轰波会以高于CJ爆轰波速的速度向前传播,稳态为弱爆轰状态。

关键词：离散玻尔兹曼模型爆轰反应率模型

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NiAl化合物晶格模型的蒙特卡罗模拟研究

NiAl化合物晶格模型的蒙特卡罗模拟研究

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第六届全国青年计算物理学术交流会

作者：郑晖申亮白彬北京应用物理与计算数学研究所北京 100094 中国工程物理研究院表面物理与化学国家重点实验室四川绵阳 621907

NixAl1-x是一种重要的金属间化合物,具有bee结构(类似CsCl),它的熔点高,密度较低,在高温下具有高强度、高硬度和抗氧化腐蚀等优良性质,是未来理想的高温结构材料,本文采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法对NiAl合金晶格模型在1273K温度下... 详细信息

NixAl1-x是一种重要的金属间化合物,具有bee结构(类似CsCl),它的熔点高,密度较低,在高温下具有高强度、高硬度和抗氧化腐蚀等优良性质,是未来理想的高温结构材料,本文采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法对NiAl合金晶格模型在1273K温度下的点缺陷浓度和Al原子化学活度等进行了计算,并与实验数据及缺陷关联模型(DCM)的理论计算结果进行了比较3模拟计算结果显示,当Ni原子比例大于47.5％时,晶格模型能很好地描述NiAl合金的行为;当Ni原子比例小于47.5％时,空位浓度高于5％,晶格模型相互作用参数须作适当修正3 GCMC能很好地模拟晶格模型的热力学性质,DCM在描述富Ni区域Al空位的热激发行为和富Al区域Ni空位分布的关联性方面有局限性.

关键词：铝化镍化合物晶格模型蒙特卡罗模拟点缺陷浓度化学活度

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复杂流体系统的离散Boltzmann建模、模拟与分析

复杂流体系统的离散Boltzmann建模、模拟与分析

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中国物理学会2015年秋季会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北京100 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北京100190

非平衡与多相复杂流体系统形式多样，广泛存在于自然界和工程物理等领域。这类系统的物理建模、算法设计与物理规律提取均存在较强的挑战性！复杂的受力与弛豫导致丰富、复杂的流动与热动非平衡行为与效应。

关键词：多相复杂系统流动非平衡热动非平衡物理建模数值实验复杂物理场分析

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