计算物理杂志

计算物理杂志2026年第1期

• 机器学习赋能新材料设计：从经验试错到数据驱动的范式变革

  令狐佳珺, 雷昇, 刘鸿, 张永, 韩楠楠, 李致朋

  传统材料研发依赖经验试错，周期长、成本高。本文综述了机器学习（ML）推动材料研究从经验驱动向数据驱动的范式变革。首先概述了机器学习三大类算法的原理和用途；再以三维晶体尤其是固体氧化物燃料电池材料为主要案例，阐述ML在5大场景的应用：1）数据发现——ML加速甚至替代传统理论计算和模拟，再结合大语言模型的文本挖掘，获取海量材料数据和知识；2）性能预测——通过特征工程与ML模型建立成分-结构-性能的映射；3）合成指导——结合贝叶斯优化与自主实验室实现闭环工艺优化；4）表征解析——材料微结构的图像识别与重建；5）逆向设计——按性能需求生成相应的材料。最后，探讨当前挑战并展望智能驱动研发范式的发展。

• Aardvark辐射流体程序对多驱动源高能量密度流体的数值模拟

  廖棱锐, 刘浩, 杨咏乐, 莫崇杰, 陈良文, 张晟, 程锐, 张平, 康炜

  高能量密度条件下的物质状态与流体动力学对高能量密度科学与惯性约束聚变的研究十分重要。编写了一套多用途模块化一维高可压缩辐射流体力学计算模拟C/C++ 程序 Aardvark，可用于高能量密度物理领域中强流重离子束、强电流Z箍缩、激光与黑腔辐射等多驱动源流体或等离子体的多物理场预测。采用Aardvark程序对典型多驱动源高能量密度条件下的应用场景进行数值研究。

• 动态低秩逼近的静电等离子体粒子模拟

  郑宇佳, 卓红斌, 李明强, 郭志坚, 张华

  本文基于动态低秩逼近理论，利用奇异值分解求出粒子在低秩流形上的近似表达，通过切空间正交投影导出因子矩阵的时间积分式. 由此提出动态低秩逼近的一维静电粒子模拟方法，通过截断秩的方式实现粒子计算量的减少。 针对典型物理问题的等离子体双流不稳定性的模拟研究，验证方法可行性并评估计算效率. 研究结果表明：在一维静电双流不稳定性算例中，方法在保证哈密顿量最大变化比0.065%的前提下，缩减了约48%的粒子计算量。

• 新型CWENO算法在三维曲线坐标系下的理想磁流体模拟

  陈莎莎, 黄艳清, 谭名昇, 谭耀, 叶扬, 孔德峰

  本文延伸的CWENO算法采用中心体及其相邻的八立方体进行重构，将二维Center Weighed Essentially Non-Oscillatory（CWENO）算法拓展到三维，并应用于三维曲线坐标系的等离子体磁流体动力学（MHD）模拟。此方法在三维笛卡尔坐标系和球坐标系下的测试结果与六立方体重构的CWENO方法、Lax_Friedrichs 格式得到的结果一致，但相较于六立方体重构的CWENO方法，该方法表现出较好的稳定性，为实验等离子体物理的模拟提供了一种有效手段。

• 基于少数角度投影的CT图像重建精度模拟研究

  黎文浩, 贾清刚, 魏素花, 衷斌

  本文借鉴分形维度相关理论，利用边长面积比描述几何复杂度，同时提出基于计算旋转自相似性的几何复杂度计算方法，并围绕两种复杂度定义方法展开对比研究。基于两种复杂度计算方法，对几何复杂程度、重建精度与照相投影角度数三者之间的关系展开规律性定量研究，获得定量规律，进一步预测随机几何在少数角度投影下的重建精度，给出达到一定重建精度时所需要的最少投影角度数目。

• 基于物理信息神经网络的翼型自适应网格加密

  赵世纪, 梁宏, 朱勇铮, 边鑫

  本文利用物理信息神经网络（PINNs）对传统的自适应网格加密方法（AMR）进行扩展，将描述不可压缩流动的Navier-Stokes方程残差作为细化指标来指导非结构三角形网格加密。首先通过传统有限体积法求解粗网格对应的流场，其次提取网格上的流场数据并融合物理信息训练PINNs，利用训练好的模型预测粗网格每个单元中心的方程残差，挑选出固定数目且中心残差较大的网格单元，最后采用基于网格单元最大面积约束的Delaunay三角化算法对其细化。循环以上步骤对网格进行加密，直至所关注的物理量随着网格数目趋于收敛。在雷诺数为1000的不可压缩翼型绕流场景中，与Fluent中的传统AMR框架相比，采用本框架优化得到的升阻力系数与参考解吻合良好，且大幅减少了细化后最优网格的单元数量。

• 初始角度对二维自由下落平板运动特性的影响

  车卢霄, 张典, 周春华

  采用当地DFD（Domain–Free Discretization）浸没边界方法研究初始下落角度对二维平板自由下落运动特性的影响。在较高Reynolds数下，对惯性矩较小的平板，初始角度对最终运动模式没有影响,下落模式呈现为飘动模式；对中间值的惯性矩，初始角度会影响平板的下落模式，初始角度增大会导致平板的下落模式由滚转模式转变为混沌模式；更大的惯性矩下初始角度对平板最终的下落模式也不产生影响，且最终下落模式为翻滚模式。低Reynolds数下，初始角度对大惯性矩平板运动有影响。初始角度较小时，平板运动呈现稳定下落模式或小幅度飘动模式；随着初始角度增大，下落模式转变为翻滚模式。本文还对平板运动模式改变的流体力学机理进行了分析和讨论。

• 适应于多物理耦合的高置信蒙特卡罗粒子输运方法

  赵若修, 车锐, 孙宁延, 刘仕倡, 刘琨, 王连杰

  在核反应堆多物理耦合模拟中，蒙特卡罗程序精度显著影响耦合计算置信度，为了在兼容耦合流程的同时提高蒙特卡罗方法的计算精度，本文在蒙特卡罗程序（RMC）内开发了一种动态全局权窗减方差方法。依据临界计算中每个活跃代的中子通量分布与统计误差分布，对全局网格权窗参数进行动态更新并使用，无需修改原始耦合流程。使用Hoogenboom-Martin全堆基准题与板状燃料组件堆芯基准题的临界计算验证减方差效果。结果表明：动态权窗方法可有效降低堆芯全局统计误差；使用板状燃料组件验证了RMC-COMSOL核热耦合模拟，使用动态权窗后，各迭代步间功率分布差异明显减小，有效提高了核热耦合模拟收敛性。

• 三种类石墨烯中单空位和双空位的形成：第一性原理计算

  吴婷婷, 陈为立, 曹昕睿, 吴顺情, 朱梓忠

  采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对三种类石墨烯材料（即T石墨烯、HOT石墨烯和net W碳单层）中单空位和双空位的形成能以及电子结构性质进行计算。结果表明：这三种类石墨烯中双空位的形成能总是低于单空位的形成能，并且HOT石墨烯具有最小的单空位和双空位形成能。当存在单空位时，T石墨烯由金属转变为半导体，HOT石墨烯由半金属转化为金属，而net W碳单层仍为金属，双空位则不改变体系的电子性质。此外，对于这三种类石墨烯，单空位体系都具有弱磁性和平带，平带处的态密度主要来自px轨道、py轨道或px、py轨道的共同贡献。差分电荷密度图显示，空位的存在对整体电荷密度的影响是相当局域的。

• 高压下CeO2晶格动力学及热输运性质第一性原理研究

  焦亩鑫, 胡柯, 孙千惠, 胡翠娥, 曾召益

  基于密度泛函理论和玻尔兹曼输运方程，研究CeO2高压下的弹性性质、热力学性质以及晶格热导率。CeO2在0～30 GPa以内保持晶格动力学稳定性。300 K时，CeO2的晶格热导率在压力为0、10、20和30 GPa时分别为10.02、14.92、20.97和26.75 W·（m∙K）–1，声学声子对CeO2晶格热导率的贡献大于光学声子。在高压下，声子弛豫时间显著增加是CeO2热导率增加的主要原因。作为对比，采用基于机器学习的从头算分子动力学方法(AIMD)计算了CeO2在零压下的声子散射和晶格热导率，在300 K和0 GPa条件下AIMD得到的晶格热导率为11.19 W·（m∙K）–1。

• 基于分布式光纤温度传感的水平井分段压裂过程裂缝诊断方法

  魏操, 张城玮, 程时清, 李海涛, 李颖

  考虑压裂液流动产生的热传导和热对流效应，引入Carter滤失模型表征裂缝扩展和压裂液滤失动态行为，建立了水平井分段压裂过程热–流耦合温度响应数学模型，利用有限差分方法进行数值求解，分析压裂液排量、压裂时间、停泵时间、滤失系数对水平井分段压裂过程温度响应的影响规律。结果表明：分段压裂过程温度响应曲线会出现“V形”典型特征，其位置与压裂裂缝对应；压裂液排量越大、停泵时间越长，“V形”深度越小；滤失系数越大、压裂时间越长，“V形”宽度越大。在长庆油田开展了应用研究，解释了裂缝半长、滤失系数等参数，验证了模型的可靠性和实用性，实现了基于分布式光纤温度传感数据定量解释水平井分段压裂过程裂缝扩展动态参数。