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非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用

物理学进展 2014年第3期34卷 136-167页

作者：许爱国张广财李英骏李华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) 北京100190 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

在自然界和工程物理领域存在大量的非平衡、多相等复杂系统和复杂行为。Lattice Boltzmann(LB)方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型;其中,现代版的Lattice Boltzmann Kinetic Model(LBKM)植根于非平衡统计物理学的... 详细信息

在自然界和工程物理领域存在大量的非平衡、多相等复杂系统和复杂行为。Lattice Boltzmann(LB)方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型;其中,现代版的Lattice Boltzmann Kinetic Model(LBKM)植根于非平衡统计物理学的基本方程—Boltzmann方程。本文从物理学视角评述LB方法,给出单松弛因子和多松弛因子LBKM构建的统一理论,介绍其在非平衡与多相复杂系统研究方面的应用。简单列举LB在多相流、可压流、材料动理学等方面的进展,重点介绍使用LB研究流体界面不稳定性、燃烧等问题的工作。本文所重点传递的信息为:可以通过宏观量研究系统的非平衡行为、可以提供系统偏离热力学平衡引发的宏观效应是LBKM建模优越于宏观连续介质建模的地方;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,这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进(例如修正项的构造)提供物理参考。

关键词：格子玻尔兹曼动理学模型非平衡效应复杂系统

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特征线方法在平面冲击实验中的应用

特征线方法在平面冲击实验中的应用

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2014年全国固体力学学术大会

作者：潘昊吴子辉黄勇胡晓棉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 中国工程物理研究院研究生部北京 100088 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

平面冲击实验是研究材料高压物理的重要手段，伴随冲击加载后的绝热等熵卸载过程则可以提供更多材料的动态响应信息，包括准弹性、逆相变和损伤行为等。激光测速技术已被广泛应用于平面冲击实验研究中，该项技术能够获取材料加载与卸载...

平面冲击实验是研究材料高压物理的重要手段，伴随冲击加载后的绝热等熵卸载过程则可以提供更多材料的动态响应信息，包括准弹性、逆相变和损伤行为等。激光测速技术已被广泛应用于平面冲击实验研究中，该项技术能够获取材料加载与卸载过程的界面速度历史曲线，通过对待测样品窗口界面/自由面速度数据的分析与解读，可以得到材料在冲击加载/卸载下力学量的变化情况。相比其他拉格朗日分析方法和反向积分方法，特征线方法通过考虑反射波与入射波的相互作用，可更为合理的计算与分析待测材料窗口界面/自由面速度数据，从而获取材料在绝热卸载下的声速、屈服强度和粒子速度等的变化情况。通过对典型的阻抗差异较大材料(Ta/LiF)的速度剖面进行数值分析后，认为特征线方法获得的声速～粒子速度，应力～体应变关系等结果具有更高的精度。采用特征线方法对Sn材料的逆向碰撞冲击实验结果进行了分析，获取了更为丰富的Sn材料在冲击加载下的相变、屈服强度和卸载路径等信息。

关键词：

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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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可压缩湍流边界层平均场的多层结构对称性

可压缩湍流边界层平均场的多层结构对称性

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第八届全国流体力学学术会议

作者：吴斌毕卫涛张又升佘振苏北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室北京应用物理和计算数学研究所

应用佘振苏等近期创建的壁湍流结构系综理论(SED)研究了零压力梯度超音速平板湍流边界层平均场的多层结构特性。通过分析不同马赫数、雷诺数和壁面温度的可压缩湍流边界层(CTBL)的直接数值模拟数据,证明了在CTBL中,速度和温度混合长存在... 详细信息

应用佘振苏等近期创建的壁湍流结构系综理论(SED)研究了零压力梯度超音速平板湍流边界层平均场的多层结构特性。通过分析不同马赫数、雷诺数和壁面温度的可压缩湍流边界层(CTBL)的直接数值模拟数据,证明了在CTBL中,速度和温度混合长存在SED理论所预言的多层结构对称性。基于该多层结构对称性给出了速度和温度混合长的解析表达式,获得了对CTBL平均速度和平均温度剖面的误差小于1%的理论预测。测量了速度和温度混合长的多层结构参数,分析了其随马赫数、雷诺数和壁面温度的变化。结果表明,多层结构参数能够有效刻画CTBL的马赫数效应、壁面温度效应以及近壁雷诺数效应等,具有显著的物理意义。

关键词：可压缩湍流边界层平均场多层结构混合长

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基于特征波方法的可压缩瑞利-泰勒流动无反射边界条件

基于特征波方法的可压缩瑞利-泰勒流动无反射边界条件

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第八届全国流体力学学术会议

作者：张又升田包林何志伟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高温气体动力学国家重点实验室

针对变加速可压缩瑞利泰勒流动(CRTF),给出了此类问题的一个具体解决方案。对于常加速度CRTF流动,通过对含有源项的特征波方程的分析,本文给出了基于瞬时场的NSCBC方法,该方法较Reckinger的基于脉动场的NSCBC方法具有更好的可执行性和... 详细信息

针对变加速可压缩瑞利泰勒流动(CRTF),给出了此类问题的一个具体解决方案。对于常加速度CRTF流动,通过对含有源项的特征波方程的分析,本文给出了基于瞬时场的NSCBC方法,该方法较Reckinger的基于脉动场的NSCBC方法具有更好的可执行性和无反射性。对于任意加速度CRTF,非定常源项和非定常边界的存在使得NSCBC方法无法实现对入流特征波的定量控制,先前的NSCBC方法失效。为解决这一问题,本文充分利用CRTF的物理边界条件,并借鉴NSCCBC方法的原始思想,成功将待定的入流特征波用可求的出流特征波表示,给出了任意加速度CRTF开口边界条件设置的一般方法和稳定性约束条件,而无反射特性则通过对网格的拉伸和对变量的滤波来实现。数值算例验证了以上方法的可行性。

关键词：介观尺度耗散粒子动力学能量守恒传热

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非协调塑性变形的路径积分描述

非协调塑性变形的路径积分描述

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中国交叉科学学会第15届学术年会

作者：张广财许爱国卢果北京应用物理与计算数学研究所国家级计算物理重点实验室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

本文提出一种用路径积分方法描述非协调塑性变形中的位移场的方法。该方法可以给出包含位错和向错等缺陷结构的非协调纯塑性变形的直观图像,用于推导应变场、弯扭场、位错密度场和向错密度场等之间的关系。更进一步,该方法有望用于超导... 详细信息

本文提出一种用路径积分方法描述非协调塑性变形中的位移场的方法。该方法可以给出包含位错和向错等缺陷结构的非协调纯塑性变形的直观图像,用于推导应变场、弯扭场、位错密度场和向错密度场等之间的关系。更进一步,该方法有望用于超导、超流、电磁场、量子Berry相等领域中多值场的描述。

关键词：塑性变形非协调变形路径积分位错向错

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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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两相流系统的离散玻尔兹曼建模

两相流系统的离散玻尔兹曼建模

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中国交叉科学学会第15届学术年会

作者：许爱国张广财甘延标北京应用物理与计算数学研究所国家级计算物理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理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北华航天工业学院

本文借助离散玻尔兹曼方程构建液气二相流系统的非平衡相变模型。通过该模型,人们可以同时研究二相流系统的动力学非平衡与相变动理学过程中的热力学非平衡。讨论了测量系统热力学非平衡程度的方案以及研究结果对宏观流体建模的贡献。

关键词：多相流非平衡相变可压流体格子玻尔兹曼离散玻尔兹曼

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Xe介质极紫外光源时间特性及最佳条件研究

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物理学报 2013年第24期62卷 215-221页

作者：赵永蓬徐强肖德龙丁宁谢耀李琦王骐哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术国家级重点实验室哈尔滨150080 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033

理论和实验上研究了Xe介质毛细管放电极紫外光源等离子体时间特性和最佳条件.从理论上建立了Xe介质一维辐射磁流体力学模型,模拟了不同气压和电流条件下等离子体压缩和辐射特性;实验上测量了放电电流30 kA时不同气压条件下13.5 nm(2%带... 详细信息

理论和实验上研究了Xe介质毛细管放电极紫外光源等离子体时间特性和最佳条件.从理论上建立了Xe介质一维辐射磁流体力学模型,模拟了不同气压和电流条件下等离子体压缩和辐射特性;实验上测量了放电电流30 kA时不同气压条件下13.5 nm(2%带宽)动态特性.理论和实验结果表明:不同放电电流条件下,存在最佳气压值,最佳气压随着电流的增加而增加;同时,电流增加时,13.5 nm(2%带宽)辐射光强峰值时刻减小.

关键词：极紫外光刻光源毛细管放电磁流体力学 Xe等离子体

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一维守恒的LADER格式

一维守恒的LADER格式

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第十六届全国流体力学数值方法研讨会2013

作者：程军波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

2001年,Toro等人[1]引入了具有任意精度的ADER(Arbitrarily high-order accurate)格式。ADER格式是高精度Godunov有限体积格式。与其他高精度格式,如WENO[2]格式相比,ADER格式在时间和空间两个方向上都具有同等的高精度。本文借鉴了欧... 详细信息

2001年,Toro等人[1]引入了具有任意精度的ADER(Arbitrarily high-order accurate)格式。ADER格式是高精度Godunov有限体积格式。与其他高精度格式,如WENO[2]格式相比,ADER格式在时间和空间两个方向上都具有同等的高精度。本文借鉴了欧拉框架下ADER格式的思想,构造拉格朗日框架下的ADER格式(LADER)。该

关键词：中心型拉格朗日格式 ADER 守恒

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