计算物理杂志

计算物理杂志2025年第4期

• 一种基于实测的时谐Maxwell方程离散系统预条件算法自适应策略

  邓蕴桐, 胡少亮, 徐小文

  针对系统级封装应用时谐Maxwell方程离散系统求解中单一算法无法对所有算例取得最优性能, 以及给定算例难以确定最优算法的问题, 提出一种基于实测的预条件算法自适应策略。首先, 结合当前该类应用普遍采用的加性Schwarz区域分解算法(ASM)和辅助子空间Maxwell算法(AMS), 提出一种组合预条件算法, 扩充了当前该类系统的可行算法空间。在此基础上, 针对可行算法空间, 在每个算例求解之前, 基于对每个算法的实际测试, 选择其中最优的算法用于迭代过程的求解。来自包括3个实际模型共6个典型算例的数值实验表明: 该自适应策略可以取得接近现有算法空间中最优算法的性能, 相对于算法空间的任意单一算法, 其整体求解效率较高, 具有较大的实用性和应用潜力。

• SN输运方程的一类无振荡嵌套网格格式

  杨容, 李双贵, 袁光伟, 杭旭登

  本文提出求解离散纵标输运方程的一类嵌套网格离散格式。格式的基本未知量定义在网格单元和子网格单元中心, 通过在子网格边界量的封闭条件中保持输运格式矩阵的对角占优性, 可以设计抑制振荡的输运嵌套网格格式。提出两类封闭条件, 设计嵌套子网格步格式和嵌套子网格中心格式。测试算例表明: 与经典的菱形格式、子网格平衡格式相比, 新格式计算精度较高且能明显抑制非物理数值振荡; 虽然嵌套子网格格式的单次迭代求解计算量大, 但是在迭代难收敛的测试算例中, 嵌套子网格格式的迭代收敛次数远远小于菱形格式和子网平衡法等高精度格式, 求解效率更高。

• 交错网格上基于相交重映的两步欧拉法

  宫翔飞, 郭少冬

  采用拉氏时间推进加重映到初始网格的方式, 在结构化交错欧拉网格上实现一种新型两步欧拉法。拉氏时间推进采用预估-校正方法, 混合网格的拉氏计算中引入压力松弛模型。用MOF(Moment of Fluid)重构显式界面, 将混合网格剖分为多个介质多面体, 实现了精确的相交重映。考虑到已有拉氏网格与拉氏网格相交算法的低效性, 实现了与两步欧拉法更适配的拉氏网格与欧拉网格相交算法。数值模拟结果表明: 在欧拉框架下构造显式界面, 能够提高欧拉方法对界面的分辨能力, 本文构造显式界面进行相交重映的算法具有健壮且高效的特点, 在大变形模拟中也可以保持较好的完整性。

• 等离子体对撞过程的混合流体-PIC数值模拟

  王艺澎, 康洞国, 刘庆康, 张旭, 林伟胜, 孟凡琦, 罗慧, 蔡洪波

  基于准一维平板内爆模型, 利用混合流体-PIC程序ASCENT-H与一维流体力学程序MULTI-IFE, 对比研究两团等离子体的对撞过程。混合流体-PIC模拟表明存在显著离子对穿现象, 且离子速度分布偏离热平衡状态; 延长了动能转化时间, 影响对撞过程中的能量转化和温度分布。相应地, 离子温度峰值较流体模拟低、空间分布出现更大展宽。此外, 还探讨壳层速度不对称性对等离子体对撞后温度密度状态的影响。本工作深化了对ICF内爆过程和点火热斑形成过程的理解。

• 锯齿振荡中新经典撕裂模种子磁岛触发的数值模拟

  楚家璇, 杨锦宏, 任珍珍, 张培杰, 肖政, 汪卫华

  利用三维环形非线性磁流体代码CLT, 模拟分析锯齿振荡对m/n=2/1新经典撕裂模(NTM)种子磁岛的激发过程, 分析有无自举电流时m/n=2/1磁岛受锯齿振荡的长期影响。结果表明: 在锯齿崩塌发生之前, m/n=2/1磁扰动分量已经开始增长。当发生锯齿崩塌时, m/n=2/1磁岛宽度增长速率增大并持续时间较长, 这是由于锯齿崩塌导致m/n=2/1磁扰动径向外移所致; 在锯齿振荡期间, 无论是否有自举电流, m/n=2/1磁岛都能够增长。当有自举电流时, 主要由新经典效应驱动m/n=2/1磁岛; 当无自举电流时, 锯齿和黏滞共同驱动m/n=2/1磁岛增长。

• 基于嵌入式网格的裂缝性致密油储层压裂生产一体化的数值模拟

  徐世乾, 郭建春, YOUNISM.Rami, 卢聪

  有效的一体化模拟裂缝性致密油储层压裂生产过程是评价压裂设计的关键之一。基于嵌入式网格的基质裂缝全域空间流固耦合数值模拟方法, 考虑天然裂缝影响下裂缝动态扩展、低速非线性渗流、基质与裂缝应力敏感, 实现裂缝性致密油储层压裂生产一体化多机理模拟。分析天然裂缝、非线性渗流对裂缝扩展及生产动态的一体化影响规律。模型可以在生产过程中任意时刻模拟压裂, 为重复压裂、加密井的设计分析提供有效的工具。当基质岩石的抗拉强度由10.2 MPa降到2.3 MPa时, 破碎带逐渐增大, 滤失作用增加, 导致主裂缝长度降低8%~9%, 但可以增加累产油量17.5%至61.1%, 影响作用显著且主要影响早期的日产油量。与启动压力梯度模型相比, 低速非线性渗流可以更好地预测致密油生产动态。该方法可为裂缝性致密油储层压裂生产一体化的动态预测、规律分析、工艺优化提供高效的工具。

• 一种计算厚层强非均质性气藏大斜度井产能方法

  廖恒杰, 何贤科, 刘一凡, 朱文娟, 蒋哲昊, 程时清

  厚层非均质气藏存在严重的层间和层内干扰, 且大斜度井井斜角随储层深度增加而变化, 与现有产能计算方法的假设条件不符。本文建立考虑井斜角变化和井筒内流量变化的斜井井筒压力损失计算方程, 将井口油压或测点压力折算到气层中部压力, 4口实测井计算相对误差在3%以内, 表明计算模型精度高。针对多层厚层强非均质性气藏各产层储层性质差异大的问题, 分层计算各小层产能, 并引入层间干扰系数对合采方程进行修正, 对比实例计算结果与实测结果, 方法具有较高的可靠性。

• 一种描述多层油藏高渗通道特征的干扰试井分析方法

  黄博, 柳朝阳, 仝波文, 杨志鹏, 张国军, 程时清

  建立考虑邻井干扰情况的多层油藏高渗通道试井模型, 运用点源函数法和叠加原理获得多层油藏井底压力解, 研制试井典型曲线图版并进行参数敏感性分析, 提出一种描述多层油藏高渗通道特征的干扰试井分析方法。结果表明: 线性流特征是反映高渗条带的典型流动阶段, 高渗通道越长, 试井典型图版线性流持续时间越长、干扰控制阶段出现的时间越早; 高渗通道越宽, 试井典型图版线性流特征逐渐被掩盖。干扰井流量越大, 干扰控制流阶段压力导数曲线上翘幅度越大; 干扰井距离测试井越近, 试井典型图版干扰控制流阶段出现的时间越早。使用建立的模型解释了现场实测数据, 获得了高渗通道的渗透率和长宽等参数, 验证了本文模型的实用性和可靠性。

• 石墨烯上空洞的形成及其电子结构性质: 第一性原理计算

  陈为立, 吴婷婷, 陈京金, 侯滨朋, 朱梓忠

  采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究石墨烯上空洞的形成及其电子结构性质。计算碳原子的脱去个数N为1至19个的所有空洞结构。结果显示: 随着空洞的不断增大(N=1, 2, …, 19), 体系的电子结构表现出丰富的性质: 有金属性、半金属性和半导体性等。结果发现: 金属性的空洞体系在空洞边缘都存在碳悬挂键, 而且都具有弱磁性; 在空洞边缘不存在碳悬挂键的体系中, 仍然可以表现为半金属性、金属性和半导体性。对部分体系的能带结构中出现的平带的电子结构进行仔细的分析, 第一性原理的分子动力学计算表明, 脱出19个碳原子而形成的空洞在热力学上是稳定的。

• 第一性原理研究AlN单层对Pb和Hg的吸附机理

  莫秋燕, 潘南红, 荆涛, 吴家隐

  采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对氮化铝(AlN)单层材料吸附铅(Pb)和汞(Hg)的特性如吸附能、差分电荷密度、能带结构、态密度及恢复时间进行详细分析。研究发现: Pb在AlN单层上的吸附比Hg具有更大的吸附能和更短的吸附距离, Pb与AlN间存在着更强的相互作用。吸附Pb后, 体系产生了2 μB的磁矩, 而吸附Hg的体系并未观测到磁矩的产生, 这种磁性差异为Pb和Hg的区分检测提供了可能的策略。AlN单层在室温下吸附Hg后的恢复时间仅有35 ns, 这意味着AlN单层能够在室温条件下迅速复原; 对于Pb而言, 加热至498 K时也能实现快速脱附, 说明了AlN单层作为绿色环保的重金属传感器在重金属污染检测技术中的潜力。

• 碱土金属卤化物碘化锶分子振-转光谱特性研究

  黄金平, 伍冬兰, 李金云, 赖章丽, 倪雯雯

  引入Davidson修正、芯价电子相关和相对论效应修正, 优化计算碘化锶(88Sr127I)分子基态和激发态的电子结构和单点能。根据优化计算的结果分析获得最低几个束缚态的势能曲线和偶极矩, 利用编制程序拟合修正的势能曲线, 得到各束缚态的光谱常数、分子常数和振动能级等光谱性质参数。经过比较发现本文计算的结果与实验值吻合较好, 最后给出跃迁性质参数Franck-Condon因子和辐射寿命等。这些光谱特性参数为进一步实验测量和构建分子激光冷却方案提供理论支持。

• 氯化亚砷在外电场下的分子结构和解离特性

  张晨翔, 吴华, 王艳杰, 温芝璠, 史喆

  采用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-311G(d, p)水平下, 计算了外电场强度从-0.02 a.u.到0.02 a.u.条件下, 氯化亚砷AsCl3分子的性质变化。随着电场改变, AsCl3分子内1As-4Cl键的键长逐渐缩短; 总能量呈增加趋势; 偶极矩呈减小趋势; 能隙呈减小趋势; 电荷分布发生改变; 红外光谱发生蓝移现象; 拉曼光谱在低频区发生红移现象, 而在高频区发生蓝移现象; 随着外电场增大, 分子势垒逐渐降低, 当电场强度达到0.03 a.u.时, 分子沿1As-4Cl键发生解离。采用含时密度泛函理论(TD-DFT), 在CAMB3LYP/6-311G(d, p)水平下, 研究外电场对分子激发态能量以及电子跃迁的影响。研究表明外电场对氯化亚砷分子的性质和行为均产生了显著影响。

• 外电场下C3F6O分子的光谱及其激发特性

  热依汗古丽·吐地, 努尔比耶·艾则孜, 安桓, 布玛丽亚·阿布力米提, 向梅

  采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G+(3d, 3p)水平上, 优化计算C3F6O分子的稳定构型, 以及在外电场下C3F6O分子的基态能量、偶极矩、前线轨道、红外光谱和拉曼光谱的变化规律。在此基础上, 运用含时自洽场方法在6-311G+(3d, 3p)基组水平下, 研究分析C3F6O分子前10个激发态的激发特性包括激发能、跃迁波长和振子强度和紫外可见光谱等在外电场下的影响, 并通过空穴-电子理论对主要激发态进行分析。研究结果表明: 外电场可以改变分子的能量、偶极矩以及激发能等参数。电场范围在0~0.07 a.u.时, C3F6O分子的结构和特性随电场强度的变化较为明显; 当所加电场逐渐增强时, C3F6O分子的总能量逐渐减小, 但偶极矩发生相反的变化; HOMO-LUMO均减小。随着外电场逐渐增强, C3F6O分子红外振动光谱峰出现红移或蓝移的现象。外电场可以改变分子的激发特性, 随着外电场强度的增大, 分子的激发能降低, 从而使分子更容易激发, 该体系呈现更不稳定的现象。

• 平面声波扰动大气湍流非柯尔莫哥洛夫谱折射率功率谱分布

  王明军, 刘帅, 吴小虎, 席建霞, 张佳琳

  本文基于声波能量和湍流能量平衡方程, 推导在平面声波扰动下各向同性和各向异性Non-Kolmogoro(非柯尔莫哥洛夫谱)折射率功率谱函数的表达式, 数值仿真在不同声源功率和频率下, 平面声源激发产生的声场能量分布。计算声源参数一定时, 不同功率谱幂律和各向异性因子下的Non-Kolmogorov折射率功率谱函数的分布情况。结果表明: 在声波传输距离一定时, 各向同性Non-Kolmogorov折射率功率谱随功率谱幂律的增大呈整体下降趋势; 各向异性Non-Kolmogorov折射率功率谱随各向异性因子的增大呈整体上升状态; 在空间波数一定时, Non-Kolmogorov折射率功率谱随声波传输距离的增大呈现极大值和极小值交替变化。