计算物理杂志

计算物理杂志2025年第3期

• 弱温度场条件下电子输运的离散统一气体动理学格式求解

  李威, 廉猛, 吕京涛, 郭照立

  采用基于有限体积法框架的离散统一气体动理学格式求解弱温度场条件下的电子玻尔兹曼输运方程。该格式在界面处提取特征线以构建界面通量, 旨在保持二阶空间精度的同时具备较小的数值耗散; 通过耦合碰撞与迁移过程, 该格式的时间步长不受限于弛豫时间, 仅由Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件确定, 且在弹道区域至扩散区域均具备良好的渐进保持性质。通过不同Knudsen数的测试算例, 验证了所提格式的高效性与准确性。

• 基于NPTS程序的低能光子/电子耦合输运模拟功能的开发

  穆子承, 张华阳, 衷斌, 傅学东

  从低能光子/电子输运理论出发, 基于ENDF/B-VI.8数据库中低能光子/电子输运相关数据, 从亚壳层角度模拟光电效应过程, 并考虑原子弛豫物理过程, 同时添加发生原子弛豫亚壳层抽样过程, 进一步完善低能光子输运蒙特卡罗模拟过程。针对低能电子采用单事件输运模拟方法, 添加激发、弹性散射、电离、轫致辐射4种相互作用过程, 将NPTS程序光子/电子耦合输运模拟能量范围下限从1 keV拓展至15 eV以下。通过与JMCT程序进行典型模型的通量能谱和空间分布谱对比, 考核NPTS程序的正确性, 基于3σ原则进行偏差检验。检验结果表明: NPTS程序的计算结果与JMCT程序在不确定度范围内一致, 验证了NPTS程序低能光子/电子耦合输运模拟功能的正确性。

• 提高多群截面蒙特卡罗计算效率的方法研究

  王旸, 李树

  确定论方法求解中子输运方程时, 需要用精确的中子通量谱估算多群截面, 该通量谱可通过蒙特卡罗中子输运过程获知。已有的使用蒙特卡罗方法计算多群截面与散射矩阵的程序MCNPNG(蒙特卡罗多群截面统计分析软件), 在计算材料种类多、几何结构复杂的模型时时间开销非常大, 不利于工程应用。本文分析了其原因, 并针对性地开展了优化, 有效提升了计算效率; 开展了多群截面与散射矩阵计算的并行方法研究, 研制了相应的程序模块, 显著降低了运行时间, 且在调用数百CPU的情况下仍能保持85%以上的并行效率。通过对OKTAVIAN基准题的计算分析, 验证了多群截面与散射矩阵并行计算方法的正确性和高效性。

• 简单隅角平衡输运格式在辐射流体力学计算中的应用

  李双贵, 杨容

  将简单隅角平衡(SCB)格式应用于惯性约束聚变(ICF)辐射流体力学数值模拟, 实现对辐射输运方程的离散求解, 重点讨论辐射输运与物质能量方程组在空间上的两种耦合实现形式: 子网格-网格(subcell-cell)的松耦合方式和全子网格(subcell-subcell)的紧耦合方式。数值结果表明: subcell-cell松耦合方式的数值结果严重依赖于网格的光学厚度, 仅适用于光性薄网格的辐射传输计算, 而采用subcell-subcell的紧耦合方式, 网格剖分不受辐射自由程的限制, 只需分辨物理量的梯度变化, 能同时兼顾光性薄和光性厚网格辐射传输计算。

• 嵌入神经网络的等离子体粒子模拟算法

  郑宇佳, 卓红斌, 李明强, 郭志坚, 张华

  Particle-In-Cell(PIC)粒子模拟方法是开展等离子体动理学物理研究的重要数值模拟方法之一。本文构建一个由相空间到静电场的端到端神经网络模型, 并将其嵌入至一维静电PIC粒子模拟算法中, 以替代传统泊松求解器, 实现了神经网络算法和传统粒子模拟方法的有效融合。开展等离子体双流不稳定性物理问题的模拟计算, 通过观测算法运行过程中相空间演化及电势能增长趋势, 验证了该方法的可行性, 并测试获得其计算性能。研究结果表明: 在短时长训练集的输入训练情况下, 该方法能够实现4倍数据集时长的准确模拟。同时, 该方法在一定程度上能够突破显式粒子模拟时间步长的约束条件, 进而可以有效减少模拟问题的总迭代计算次数。

• 新型测量矩阵加速压缩感知目标电磁散射问题研究

  董岱, 王仲根, 孙玉发, 聂文艳, 郭飞, 王攀

  为有效抽取阻抗矩阵中关键信息构造测量矩阵, 提出一种基于自适应交叉近似(ACA)算法的新型测量矩阵构造方法。将目标进行子域划分, 每个子域找出与之耦合性最弱的子域并进行标记; 对标记子域间的互阻抗矩阵应用ACA算法进行压缩, 利用该过程中产生的行索引抽取原阻抗矩阵对应的行, 得到测量矩阵。与传统方法相比, 新方法构造的测量矩阵维数更低, 计算效率显著提高, 数值结果证明了该方法的有效性。

• 含裂缝岩石油水两相渗流的有限元模拟

  张云琦, 张旭辉, 黄新武, 乔继延, 胡昕扬, 鲁晓兵, 刘庆杰

  利用具备自主产权的国产有限元程序自动生成系统(FEPG), 模拟岩心尺度下裂缝-基质双重介质中油水两相渗流, 分析压缩系数、非均质性以及注水方式对两相渗流的影响, 并在此基础上考虑裂缝形态及分布方式, 得出裂缝对水驱油的影响规律。结果表明: 平行于主渗流方向的裂缝会导致见水时间缩短, 水相沿裂缝窜流, 降低驱油效果; 裂缝位于双重介质内部时, 基质中油相先向裂缝流动, 随后缓慢排出, 最终裂缝及其周围基质孔隙中的油大部分残余; 垂直于主渗流方向的裂缝能有效延长见水时间, 提高基质动用率。压缩系数小、非均质性弱的储层更适宜采用注水的开采方式; 脉冲注水能有效提高驱油效率, 加快油水界面推进速度, 且频率越高效果越显著。

• 考虑诱导裂缝和椭圆复合分区特征的注水井试井解释模型

  金子一, 胡之牮, 贾品

  建立考虑注水诱导裂缝和椭圆复合分区特征的低渗透油藏注水井试井解释模型, 通过无因次化和拉普拉斯(Laplace)变换得到拉氏空间下的数学模型, 引入Mathieu函数求得井底压力解并绘制压力响应样板曲线, 明确曲线6个流动阶段及压力传播特征。以J油田2个典型注水井组为例, 通过模型拟合反演得到诱导裂缝半长、水驱侧向波及范围、波及区渗透率、流度比等关键参数, 验证了模型的准确性与优越性, 定量表征了水驱前缘形态及注水波及面积, 结合动态监测资料明确了目标区水驱渗流规律及剩余油分布, 为制定长期稳产的合理注水开发方案提供参考和指导。

• 梯度纳米晶粒结构变形机制与力学性能的晶体相场模型研究

  项璇, 胡月莉, 胡石

  使用晶体相场模型研究拉伸应变下梯度纳米晶粒结构的微观演化过程, 对其变形机制与力学性能进行探究。研究结果表明: 在梯度纳米晶粒结构中, 粗晶区域主要通过位错滑移产生变形, 而细晶区域则主要通过晶界迁移产生变形。梯度纳米晶粒结构抑制了位错与晶界迁移, 并且抑制作用随晶粒尺寸梯度的增大而增强, 从而导致屈服强度随晶粒尺寸梯度的增大而增大。梯度纳米晶粒结构应力分布的不均匀, 有助于克服细晶区域高位错密度所带来的阻力, 促进位错运动以产生塑性变形, 使得整体塑性变形能力不削弱。研究结果从微观层面加深了对梯度纳米晶粒结构的理解, 并为相关领域的研究提供理论参考。

• 电磁感应和电磁辐射作用下一类新颖忆阻耦合Hopfield神经网络的放电模式

  王梦蛟, 杨琛, 贺少波, 李志军

  本文引入两个磁控忆阻器分别模拟电磁感应和电磁辐射, 研究其对一类新颖复合指数型忆阻耦合四元Hopfield神经网络产生的影响。通过改变忆阻突触的内部参数m1以及电磁辐射耦合强度k2, 发现新系统存在多种不同的放电模式, 如周期簇发放电、混沌簇发放电、瞬态混沌尖峰放电、瞬态随机簇发放电等。通过改变系统的初始值, 发现新系统产生了5种不同的共存放电模式, 如随机簇发放电、混沌尖峰放电、周期性尖峰放电等。与不施加电磁感应与电磁辐射的原系统相比, 新系统还产生了大范围超混沌现象以及无参数状态切换现象。通过STM32单片机对新系统进行了硬件实现。

• 相对不应态对螺旋波演化行为的影响

  石晨, 邓敏艺

  用元胞自动机模型研究激发介质相对不应态所致传导速度(CV)恢复和动作电位持续时长(APD)恢复及其对螺旋波演化行为的影响。数值模拟结果表明: 当激发性较低时, 相对不应态下的激发介质不能被激发, CV恢复曲线斜率接近零、APD恢复曲线斜率为零, 螺旋波斑图能维持连续而稳定的旋转或漫游; 当激发性较高时, 相对不应态下的激发介质就能被激发, CV恢复曲线和APD恢复曲线的斜率都非零, 且CV恢复曲线越陡峭, 螺旋波断裂程度越严重; APD恢复曲线最大斜率大于1是导致螺旋波断裂为多螺旋波的原因。激发介质的CV恢复与APD恢复呈正相关的关系, 与实验结果一致。

• 电对流强化自然对流传热过程中的流场与换热特性

  崔文斌, 高明, 张帮辉, 张凌霜, 娄钦, 章立新

  针对热面朝上和热面朝下两种换热条件探讨了电场强化下自然对流传热过程。将数值结果与实验数据进行比较验证, 拓展计算范围, 探讨不同热流密度及电压范围下的传热增强效果, 并对比热面朝上和朝下两种情况下电场对流场和流换热系数的影响。研究揭示: 在外加电场作用下, 介电流体产生介电泳力, 与热浮升力协同作用, 驱动流体流动并改变其方向。电对流不仅增强了传热, 还改变了自然对流的速度场, 从而提升了自然对流的传热性能, 其中高电压的冷却效果显著优于低电压。在热面朝上的情况中, 电场力抑制了垂直热对流并改变了水平速度场的方向; 在热面朝下的情况中, 电场力与浮升力的相互作用加速了流体的流动。