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中国舰船研究 2020年第6期15卷 128-136页

作者：梁霄陈江涛王瑞利胡星志山东科技大学数学学院山东青岛266590 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

[目的]为挖掘和量化舰船非接触水下爆炸建模与模拟中的不确定性因素,开展高维随机变量对系统输出结果的影响研究。[方法]根据变量统计特征和工程经验,使用对数正态分布描述物理量的不确定度,使用Beta分布描述唯象参数的不确定度,并使用R... 详细信息

[目的]为挖掘和量化舰船非接触水下爆炸建模与模拟中的不确定性因素,开展高维随机变量对系统输出结果的影响研究。[方法]根据变量统计特征和工程经验,使用对数正态分布描述物理量的不确定度,使用Beta分布描述唯象参数的不确定度,并使用Rosenblatt变换将不同类型的相关随机变量组转化为服从独立同分布的正态分布变量组。此外,考虑到模型的复杂性且不确定性因素众多,使用基于二次自适应基函数的齐次Wiener混沌方法处理不确定度的传播,以提高计算效率。以甲板上弹簧系统试验装置为例,应用所提方法研究试验装置的冲击响应量的期望值、标准差、置信区间和概率密度函数。[结果]结果显示,舰船遭受水下爆炸冲击后,甲板一直处于振荡状,标准差的振荡相比期望值更大。[结论]研究结果可为非接触水下爆炸冲击影响以及评估舰船抗冲击性能提供依据。

关键词：自适应基函数不确定度量化非接触水下爆炸酉变换 Rosenblatt变换齐次Wiener混沌

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辐射引起的界面不连续加速度下瑞利-泰勒不稳定性演化

辐射引起的界面不连续加速度下瑞利-泰勒不稳定性演化

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：胡泽汐张又升田保林北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

辐射背景下的瑞利-泰勒不稳定性（RTI）在工程应用和自然现象中均起着重要作用。在光学稀薄及不可压缩的条件下,可以将相应的问题简化为界面不连续加速（IDA）RTI问题。但迄今为止,仅在线性阶段进行了该问题的研究。在本文中,对IDA-RTI... 详细信息

辐射背景下的瑞利-泰勒不稳定性（RTI）在工程应用和自然现象中均起着重要作用。在光学稀薄及不可压缩的条件下,可以将相应的问题简化为界面不连续加速（IDA）RTI问题。但迄今为止,仅在线性阶段进行了该问题的研究。在本文中,对IDA-RTI的整个演化过程进行了理论和数值研究,尤其是对于线性阶段以外的阶段。结果表明,IDA-RTI问题等效于g下的经典RTI问题,其中g为本文引入了等效加速度。此外,我们的研究进一步表明,当且仅当g>0（从重流体指向轻流体）时,IDA-RTI才会发生。与经典RTI问题不同的是,该失稳标准意味着当（ⅰ）重流体支持（或加速）轻流体或（ⅱ）两种流体具有相同的密度时,也会发生IDA-RTI问题。此外,本文在理论上预测了气泡和尖钉的准稳定速度,与各种密度比和加速度比下的数值模拟结果均符合很好。

关键词：瑞利-泰勒不稳定性界面不连续加速度辐射

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可压缩跨流态气固多相流数值模拟方法CMP-PIC

可压缩跨流态气固多相流数值模拟方法CMP-PIC

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：田保林孟宝清曾军胜陈潜 Xiaohu Guo 薛琨北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

包含固体颗粒的可压缩多相流常见于诸多工程应用和自然现象中。目前稀疏颗粒两相流和稠密颗粒两相流都已有较为成熟的模拟方法,但是对于稀疏到稠密颗粒过渡的跨流态多相流问题仍缺乏有效的数值模拟方法,尤其是可压缩跨流态多相流问题。... 详细信息

包含固体颗粒的可压缩多相流常见于诸多工程应用和自然现象中。目前稀疏颗粒两相流和稠密颗粒两相流都已有较为成熟的模拟方法,但是对于稀疏到稠密颗粒过渡的跨流态多相流问题仍缺乏有效的数值模拟方法,尤其是可压缩跨流态多相流问题。本文在不可压MP-PIC方法的基础上发展了一种新的多可压缩多相流模拟方法,即CMP-PIC,它能够模拟从稀薄到稠密颗粒各种流态的可压缩多相流问题。类比传统的可压缩双流体两相流模型(B-N模型),我们考虑气固双向耦合相互作用得到了CMP-PIC多相流计算模型。对于气相连续流体的模拟,CMP-PIC方法采用可以模拟多种气体组分的5方程模型进行计算;对于离散相固体颗粒采用基于拉格朗日追踪的PIC方法进行计算;颗粒间相互作用采用粗粒化离散元法(DEM)进行计算,可以避免传统颗粒应力模型带来的颗粒非物理聚集问题,能够更好地描述稠密颗粒的相互作用。对于气相方程数值离散我们发展了改进的HLL/HLLC求解器用于求解包含气体体积分数的了连续相方程,同时采用高阶插值算子计算两相流的双向耦合效应。总之,CMP-PIC方法综合了传统可压缩双流体模型、PIC方法和DEM方法的优点,能够模拟从传统方法难以计算的可压缩跨流态多相流问题。基于CMP-PIC方法研制的多相流并行程序可实现上千万颗粒的高效并行计算,一系列相关两相流实验的模拟结果验证了方法的可靠性。

关键词： PIC 多相流 CMP-PIC 数值模拟方法

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确定湍流混合模型系数的新方法

确定湍流混合模型系数的新方法

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：谢寒松张又升北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

由Rayleigh-Taylor(RT),Richtmyer-Meshkov (RM)、Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合现象广泛存在于自然界和工程问题中,准确预测其演化具有十分重要的意义。考虑到实际问题的高雷诺数及复杂性,在可预见的未来... 详细信息

由Rayleigh-Taylor(RT),Richtmyer-Meshkov (RM)、Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合现象广泛存在于自然界和工程问题中,准确预测其演化具有十分重要的意义。考虑到实际问题的高雷诺数及复杂性,在可预见的未来,给出统计平均场演化的雷诺系综平均(RANS)方法仍将是工程实践中最具可实现性的选择。RANS方法预测的准确性主要取决于"物理建模"和"模型系数值"。对于后者,传统方法主要基于"经验+调试"的思路进行确定,相应预测结果在普适性、准确性等方面都存在改进空间。本报告将给出一种确定湍流混合模型系数的新方法。主要思想和步骤如下:1、基于对基准混合问题物理演化的深刻认识,解析化表达理想情况下RANS模型解的时空演化剖面;2、将该理想解代入RANS方程后逆向求解RANS方程,给出RANS模型系数之间应该满足的相互约束关系及进一步的值。按照这一逻辑,基于新方法确定的模型系数预测的RANS解接近理想RANS解,从而逼近真实物理解。利用这一新方法,我们成功给出了k-L,k-ε等工程常用湍流混合模型的模型系数值,表明该方法具有较好的通用性。本报告具体讲述新方法在k-ε湍流混合模型中的应用过程及结果:基于新方法确定的湍流模型系数,首次实现了用同一套模型和模型系数准确预测不同混合问题(例如经典RT、RM、KH问题,激波往复冲击的reshock-RM问题,倾斜界面RT混合流动、一维球形内爆混合等)、不同密度比下不同物理量的时间、空间剖面演化。该方法有望运用到其它湍流模型上去,发展成一种确定湍流模型系数的方法论。

关键词：界面不稳定性湍流混合模型系数方法论 k-ε模型

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超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

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物理学报 2019年第9期68卷 118-124页

作者：魏留磊蔡洪波张文帅田建民张恩浩熊俊朱少平中国工程物理研究院研究生院北京100088 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北京100871 上海交通大学IFSA协同创新中心上海200240 上海激光等离子体研究所上海201800

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下... 详细信息

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.

关键词：强流电子束超强激光磁势垒微结构靶

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高密度比瑞利泰勒尖钉混合区对初始扰动的依赖性研究

高密度比瑞利泰勒尖钉混合区对初始扰动的依赖性研究

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：倪玮丹张又升曾清红北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

瑞利泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）湍流混合是指轻流体加速推动受扰动的重流体时,在物质界面处所发生的由不稳定性诱导的湍流混合现象。RT湍流混合广泛存在于自然（如超新星爆炸）和工程（如惯性约束聚变）问题中。上述问题以高密度比R ... 详细信息

瑞利泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）湍流混合是指轻流体加速推动受扰动的重流体时,在物质界面处所发生的由不稳定性诱导的湍流混合现象。RT湍流混合广泛存在于自然（如超新星爆炸）和工程（如惯性约束聚变）问题中。上述问题以高密度比R （重、轻流体密度之比）为主要特点,混合宽度h是刻画混合的首要量。RT混合区由位于重流体侧的气泡混合区和位于轻流体侧的尖钉混合区构成。高R下,尖钉混合区宽度h将主导h的演化。已有大量实验表明,在高R下,能够反映h演化的尖钉区二次增长系数α呈散乱分布,但其规律和机理尚不清楚。本文推测尖钉混合区的演化强烈依赖于初始扰动,并且该依赖性是造成同一高R下α呈高分散性的主要原因。由于在高R下,气泡混合区和尖钉混合区相对于初始扰动界面具有高度非对称性,因此本文开展了尖钉混合区对非对称初始扰动的依赖性研究。首先,在二维单模RT的基础上,分别仅改变气泡侧或尖钉侧的初始扰动形式。结果表明,尖钉区增长速度强烈依赖于非对称初始扰动,即使在仅仅改变气泡侧初始扰动的情况下,尖钉区的增长速度也会产生较大变化。进一步的研究表明,在不同初始扰动作用下,由轻重流体交界面相互剪切所诱导的Kelvin-Helmholtz （KH）涡的不同,是造成尖钉区增长速度发生明显变化的内在原因。在高R下,重流体迅速渗透进入轻流体中,KH不稳定性所诱导的涡更靠近与尖钉头部,并对尖钉的增长产生激励作用。通过对尖钉头部涡量的定量统计可知,在不同初始扰动下,尖钉区增长速度与涡量的增长定性一致,说明涡量是影响尖钉区增长速度的内在机制。基于在二维类单模非对称初始扰动中的认识,本文将进一步在二维RT流动中施加复杂多模非对称初始扰动,研究尖钉混合区对初始扰动的依赖性。本文研究将为合理解释高R下尖钉区二次增长系数呈高分散性打下基础,并有望为自然和工程问题中RT混合宽度的预测及控制提供理论支撑。

关键词：瑞利泰勒不稳定性尖钉区高密度比初始扰动

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皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度

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强激光与粒子束 2020年第4期32卷 73-77页

作者：毕碧周维民单连强魏来刘东晓张锋田超邓志刚袁宗强王为武卢峰吴俊峰蔡洪波任国利吴凤娟李晋陈韬杨轶濛张发强杨雷曹磊峰谷渝秋中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室四川绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室四川绵阳621010

为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基... 详细信息

为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致,实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm2。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征,为后续实验提供了改进方向。

关键词：快点火预压缩短脉冲背光成像密度诊断

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界面不稳定性诱导的湍流混合模型研究

界面不稳定性诱导的湍流混合模型研究

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：肖梦娟张又升田保林北京应用物理与计算数学研究所北京大学应用物理与技术研究中心

界面不稳定性例如Rayleigh-Taylor (RT),Richtmyer-Meshkov(RM)以及Kelvin-Helmholtz(KH),诱导发生的湍流混合过程广泛存在于自然现象(例如超新星爆发)及工程应用(例如惯性约束聚变,ICF)中。考虑到实际工程问题都具有极大的雷诺数及足... 详细信息

界面不稳定性例如Rayleigh-Taylor (RT),Richtmyer-Meshkov(RM)以及Kelvin-Helmholtz(KH),诱导发生的湍流混合过程广泛存在于自然现象(例如超新星爆发)及工程应用(例如惯性约束聚变,ICF)中。考虑到实际工程问题都具有极大的雷诺数及足够长的演化时间,给出统计平均场的雷诺平均方法(RANS)是现在工程研究最为有效的选择。然而,在实际问题中,各种稳定性通常同时存在且高度耦合;在浮力、激波、剪切效应的共同作用下流动的物理参数变化域非常宽泛,这对湍流混合模型的精确性和一致性刻画带来了极大挑战。为此,本文将基于两方程K-L湍流混合模型,从以下三个方面对模型的实现进行改进:1,改进现有湍流混合模型的封闭形式来对流动进行更加精确地描述,具体包括通过包含雷诺应力的偏应力分量来刻画KH剪切效应、采用特征加速度的判别方法来区分RT及RM(从而对浮力效应进行更加精确地刻画)、采用焓扩散来封闭能量方程的湍流扩散项;2,系统地改进模型系数的确定方式,使得模型在同一套参数下能适用于不同物理条件下的流动;3,改进模型的数值实现方式,对初始条件及数值格式进行测试,保证在数值执行的过程中计算是物理且稳定(无振荡)的,不干扰湍流混合模型的执行性能。通过上述三方面的改进,本文实现了对于宽泛物理条件下经典RT,RM,KH混合流动及复杂混合流动,包括激波往复冲击的平面RM混合流动、二维倾斜界面RT混合流动"tilted-rig"、球形内爆等的高精度统一刻画。该模型有望进一步发展为高置信度的工程湍流混合模型,成为研究极端条件下复杂湍流混合问题的有力工具。

关键词： Rayleigh-Taylor Richtmyer-Meshkov 湍流混合 Kelvin-Helmholtz K-L模型

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通过理论定标律研究激光间接驱动的参数空间

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强激光与粒子束 2019年第6期31卷 12-22页

作者：杨宸范征锋刘杰张存波于承新任国利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研究生院北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871

系统地梳理了激光间接驱动点火靶内爆压缩的物理过程,使用理论方法和一维流体力学模拟给出了靶丸内爆过程中的关键定标律公式。通过这些定标律公式获得了在给定黑腔辐射温度、飞行熵增因子、整形速度和烧蚀材料的条件下,靶丸装量--半径... 详细信息

系统地梳理了激光间接驱动点火靶内爆压缩的物理过程,使用理论方法和一维流体力学模拟给出了靶丸内爆过程中的关键定标律公式。通过这些定标律公式获得了在给定黑腔辐射温度、飞行熵增因子、整形速度和烧蚀材料的条件下,靶丸装量--半径参数空间的点火岛区域。研究了靶丸性能参数随辐射温度、飞行熵增因子等的变化规律:当靶丸所处黑腔辐射温度升高时,内爆的稳定性将变好;设计上在靶丸装量不变的条件下,靶丸半径需要减小。当靶丸的飞行熵增因子增大时,内爆增益略微减小,内爆稳定性变好;但是点火阈值因子减小导致点火岛的区域变窄。当靶丸的整形速度增大时,点火岛的区域略微变大,内爆稳定性变化不显著;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要增大靶丸半径,这会导致靶丸壳层形状因子变大。当改变靶丸烧蚀材料,提高质量烧蚀速率与烧蚀压时,能量增益变大且稳定性增强;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要减小靶丸半径。

关键词：激光聚变间接驱动内爆动力学靶丸设计定标律

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Hg^+离子5d^(10)6s ~2S_(1/2)→5d^96s^2 ~2D_(5/2)钟跃迁同位素位移和超精细结构的理论研究

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物理学报 2019年第4期68卷 216-222页

作者：张祥卢本全李冀光邹宏新国防科技大学文理学院长沙410073 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国科学院授时中心西安710600

本文首先在Dirac-Hartree-Fock近似下理论评估了Hg^+离子5d^(10)6s ~2S_(1/2)→5d^96s^2 ~2D_(5/2)钟跃迁的质量位移(mass shift, MS)和场位移(field shift, FS)在其同位素位移(isotope shift, IS)中的相对贡献,发现MS远小于FS而可以被忽略.在此基础上,通过系统地考虑该原子体系中主要的电子关联效应,计算了这条钟跃迁FS的精确值以及涉及到的上下两个能级的超精细结构常数,并得到了几种稳定汞同位素离子该跃迁的IS和超精细结构分裂.其中,计算的^(199)Hg^+和^(198)Hg^+离子之间的钟跃迁频率偏移与已有实验测量值相比误差为2%左右.最终,本文给出了汞离子7种常见同位素该谱线的绝对频率值,为实验上的谱线测量提供了有效的理论依据.

关键词：超精细结构同位素位移多组态 Dirac-Hartree-Fock方法汞离子光钟

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