计算物理杂志

计算物理杂志2025年第6期

• 激发态分子超快动力学理论研究

  胡晓青, 刘艳荣, 张松斌, 吴勇, 王建国

  超短脉冲激光诱导的分子及其离子的超快电离、解离动力学的理论研究是原子分子物理领域的一大难点。特别是当激光脉冲宽度接近甚至大于分子振动的时间尺度时，激光驱动的电子运动与激光场中原子核运动必将耦合在一起。分子在激光持续时间内可以发生转动激发、电子态激发、电离、解离、自电离及电子重散射等复杂过程，精确的理论模拟必须考虑所有的光子-电子-核的耦合过程。本文重点介绍我们在过去几年发展的激光诱导分子及其离子电离-解离全过程模拟方法。分别讨论了该方法在光电离及解离过程中的电子-转动耦合效应研究、X射线诱导分子共振俄歇电子谱学研究及激发态结构分辨的库仑爆炸成像动力学模拟等方向的应用。

• 惯性约束聚变中的机器学习方法

  王昊, 申昊, 姜博

  近年来，机器学习方法已成为惯性约束聚变研究的重要手段。本文列举了近年来惯性约束聚变研究中所涉及到的机器学习算法，介绍了常用算法的原理、特点和应用场景，给出了若干典型应用案例，分析了此领域的发展趋势。

• 求解中子扩散方程特征值问题的深度神经网络方法和软件

  余书沛, 吕皓琛, 龚禾林, 张世全, 贺巧琳, 杨宇, 杨其洪, 曾未

  探讨核工程领域中子扩散特征值问题(NDEP)的机器学习求解方法。首先介绍数据驱动神经网络(DEPINN)借助先验或观测数据求解中子扩散方程的流程和处理带噪数据的方法。针对观测数据难以获取的情况，介绍了反幂法神经网络(IPMNN)和广义反幂法神经网络(GIPMNN)求解最小特征值问题的基本模型。基于上述模型，开发了特征值问题求解软件包(AISEA)，并通过该软件包验证所提出算法的有效性和精确度。该软件包可为核工程领域提供一种高效的数值求解工具。

• 变阶数时间分数阶Navier-Stokes方程的格子Boltzmann方法

  任俊杰, 杨小莉, 宋杰

  发展了一种求解变阶数时间分数阶Navier-Stokes方程的格子Boltzmann(LB)方法。首先，通过对变阶数分数阶导数的历史部分和当前部分分别进行离散，使得变阶数时间分数阶Navier-Stokes方程转化为整数阶偏微分方程。为了提高计算效率，对分数阶导数项的历史部分，除了采用L1直接离散方法进行离散，还采用快速估计方法进行计算；随后，构建了基于2维9速度(D2Q9)格子模型的LB模型，并开展了Chapman-Enskog分析，确定了平衡态分布函数的具体表达式，并理论证明了该LB模型能够准确推导出目标宏观方程；最后，通过数值算例检验所构建的LB模型能够准确求解变阶数时间分数阶Navier-Stokes方程，并且该LB模型的空间收敛阶数约为二阶。

• 超临界机翼跨声速绕流的尺度自适应模拟

  宋亚豪, 魏志, 王彬, 许常悦, 刘可

  采用尺度自适应模拟(SAS)方法对超临界机翼跨声速绕流进行研究, 来流马赫数、攻角和雷诺数分别为0.80, 3°和1×107。通过分析涡结构以及表面压力脉动的分布, 发现机翼流场中存在三种流动状态, 分别为激波抖振运动、小幅度的激波运动和失速状态下的大分离流动。探测点压力信号的功率谱密度分析, 表明这三种流动状态均呈现低频运动特性。分析三种流动状态下各截面的表面压力系数和压力脉动均方根的分布, 可知大分离流动是导致机翼升阻力系数波动的主要因素。通过分析压力场的本征正交分解, 对于激波抖振运动和小幅度的激波运动而言, 占主导的模态与激波运动和尾缘扰动有关, 且激波抖振状态下流动更为稳定; 对于大分离流动, 主导模态与不稳定激波运动和不同尺度涡结构脱落有关。相较于激波抖振以及小幅度的激波运动, 大分离流动状态下近壁区内的速度脉动以及湍动能处于较高水平, 分离区附近的湍动能以及湍动能生成项显著增强, 与可压缩效应有关的压力-胀量相关项在剪切层失稳区域造成的湍流衰减更为显著。通过分析Lamb矢量散度可知, 对于小幅度的激波运动而言, 剪切层两侧具有存在不同的动量输运机制; 对于激波抖振运动和大分离流动, 由于剪切层出现失稳, 故呈现较为混乱的动量输运形式。

• 基于时空广义有限差分法的制动器传热分析

  郝泽亮, 王发杰

  基于时空联合技术, 发展一种时空广义有限差分法(ST-GFDM), 用于制动器传热分析。该方法直接对瞬态热传导问题进行离散, 避免了耗时耗力的时间差分过程和复杂结构的网格划分。通过典型数值算例验证方法的精度和有效性, 针对二维制动器简化模型和三维制动器模型进行瞬态传热模拟, 并与COMSOL Multiphysics软件的结果进行了比较。该算法具有二阶收敛性, 且能够在较少节点数条件下获得与有限元软件计算结果相近的精度。该方法不仅具有无须网格划分和数值积分等优点, 还克服了全局无网格配点法计算量大且矩阵病态的问题, 在制动器传热分析领域具有广泛应用前景。

• 高热导率双颗粒热浮升特性的数值模拟

  严祥晖, 翁万良, 何清, 杨小平, 陶实

  为考察多颗粒系统的流动传热特性, 数值模拟高热导双颗粒在冷流体中的热浮升过程。数值方法为多尺度离散统一气体动理学格式(DUGKS)。结果表明: 竖直放置条件下, 颗粒间距较近时一次接触后会迅速发生二次碰撞。水平放置时, 颗粒间吸引效应明显, 碰撞前均会发生旋转, 首次碰撞出现在下降阶段, 且不产生翻滚现象。θ减小, 颗粒相互作用增强, 越易发生多次碰撞。H/D增大, 颗粒的最大浮升高度下降。随着Re增大, 颗粒浮升能力减弱, 当Gr增大时, 颗粒的首次碰撞时间提前, 上浮能力更强。

• 高能量粒子对托卡马克锯齿模影响的数值模拟

  肖政, 杨锦宏, 任珍珍, 张培杰, 邝俊, 汪卫华

  托卡马克实验中发现高能量粒子对锯齿模有显著影响。本文采用动理学-磁流体混合模型程序M3D-K模拟研究了高能量粒子对锯齿模的影响作用。模拟结果表明: 高能量粒子压强与总压强比值的增大会解稳锯齿不稳定性; 高能量粒子的最大入射能量和抛射角的增大会致稳锯齿不稳定性; 高能量粒子压强分布的梯度减小会致稳锯齿不稳定性。这些模拟结果可能为托卡马克运行时控制锯齿不稳定性提供参考。

• 托卡马克等离子体位形对锯齿模线性增长率影响的数值模拟

  张培杰, 杨锦宏, 任珍珍, 邝俊, 肖政, 汪卫华

  利用非线性磁流体程序CLT研究等离子体环径比、拉长比和三角度对锯齿模线性增长率的影响。当环径比增大，锯齿模线性增长率减小。随拉长比增大，锯齿模线性增长率受环径比调制。环径比较小时，拉长比增大不利于锯齿模稳定；环径比较大时，拉长比增大有利于锯齿模稳定。随拉长比增大，锯齿模线性增长率受正三角度调制。拉长比小于1.2时，正三角度增加增长率增大, 不利于锯齿模稳定；拉长比大于1.2时，正三角度增大增长率明显减小，有利于锯齿模稳定。随三角度增大，锯齿模线性增长率变化受环径比和拉长比调制且关系较复杂。模拟结果表明：环效应对线性增长率影响较大，大的拉长比和正的三角度组合有利于锯齿模稳定，线性阶段由环径比、拉长比和三角度共同调制。本研究对未来设计托卡马克等离子体先进位形有参考意义。

• 考虑不确定性量化的典型城市建筑群爆炸载荷的快速估计方法

  潘美霖, 彭卫文, 冷春江, 王澍霏, 钟巍

  为快速估计复杂城市建筑群中强爆炸冲击波的爆炸载荷，并量化估计结果的不确定性，针对可变当量、爆心距、街道长和宽、建筑物长和宽在较大范围内可变情形下，冲击波在3×3的建筑群中传播时关键位置的超压峰值，研究给出了基于高斯过程回归、神经网络集成和贝叶斯深度学习的快速估计方法。首先采用正交实验设计和数值模拟的方法获取训练数据，然后分别构建高斯过程回归、神经网络集成及贝叶斯深度学习模型，在快速预测爆炸载荷的同时对估计结果的不确定性进行量化。最后采用平均绝对百分比误差和归一化平均预测区间宽度等指标对三种模型的预测精度和不确定性量化准确度进行评估。结果表明：构建的三种模型在144组测试数据上对于超压峰值的平均估算误差分别为11.84%、7.04%和8.51%，置信区间涵盖真实值的百分比分别超过86.11%、98.61%和75.69%，且三种模型均能在2.3 ms内完成对单个测试样本爆炸载荷的估计。

• NOR神经元逻辑门诱发螺旋波自发产生研究

  兰孝克, 莫玉香, 侯永辉, 唐国宁

  采用Morris-Lecar(ML)神经元模型构造了NOR神经元逻辑门，并将NOR神经元逻辑门植入到二维神经元网络中。当平面波经过网络中的逻辑门区域时，NOR神经元逻辑门诱发螺旋波自发产生，适当增加逻辑门中神经元之间的耦合强度使逻辑门无输出，既可以阻止逻辑门诱发螺旋波，也可以让逻辑门诱发的螺旋波消失。理论分析这些现象背后的物理机制，有助于进一步了解大脑中螺旋波自发产生机制，从而提出有效治疗癫痫疾病的方法。