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土壤溶质异常输运的时间分数阶对流扩散模型
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作者 龚权标 《应用数学进展》 2024年第8期3969-3975,共7页
土壤系统经常表现出复杂的性质并导致溶质迁移的异常扩散。基于Skaggs等人的模型,本文研究开发蒸腾和根系吸水条件下的时间分数阶对流扩散方程(FADE)模型,以模拟根区的异常扩散并进行解析求解。模拟表明,时间分数阶对流扩散模型与整数... 土壤系统经常表现出复杂的性质并导致溶质迁移的异常扩散。基于Skaggs等人的模型,本文研究开发蒸腾和根系吸水条件下的时间分数阶对流扩散方程(FADE)模型,以模拟根区的异常扩散并进行解析求解。模拟表明,时间分数阶对流扩散模型与整数阶对流扩散模型的数值结果在表面土壤附近出现偏差,随后随着时间的推移逐渐向下移动,偏差随深度逐渐扩大,较小的α对应较高的浓度曲线,说明土壤中溶质储层较强,导致溶质运移速度较慢,即存在亚扩散。Soil systems often exhibit complex properties and lead to abnormal diffusion of solute transport. Based on the model of Skaggs et al., this paper develops a time fractional advection-diffusion equation (FADE) model under transpiration and root water absorption conditions to simulate abnormal diffusion in the root zone and solves it analytically. The simulation shows that the numerical results of the time fractional advection-diffusion model and the integer advection-diffusion model deviate near the surface soil, and then gradually move downward with time. The deviation gradually expands with depth, and the smaller one corresponds to a higher concentration curve, indicating that the solute reservoir in the soil is strong, resulting in a slower solute migration rate, that is, there is sub-diffusion. 展开更多
关键词 溶质运动 异常扩散 时间分数对流扩散模型 根系吸收
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基于分数阶全变分和扩散模型的图像去模糊方法
2
作者 黄浩 蒲亦非 《四川大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期41-51,共11页
图像去模糊是数字图像处理领域的重要研究方向之一.在许多实际应用中,由于成像设备和物体之间发生相对运动,产生的模糊会降低图像质量和视觉效果.本文提出了一种结合分数阶全变分(FTV)损失函数和去噪扩散概率模型(DDPM)的图像去模糊方... 图像去模糊是数字图像处理领域的重要研究方向之一.在许多实际应用中,由于成像设备和物体之间发生相对运动,产生的模糊会降低图像质量和视觉效果.本文提出了一种结合分数阶全变分(FTV)损失函数和去噪扩散概率模型(DDPM)的图像去模糊方法 .首先通过基于概率建模的DDPM实现对图像结构信息的增强,然后利用FTV损失函数作为正则项,进一步恢复图像细节.与传统的图像去模糊方法相比,本文方法能够在保持图像整体清晰度的同时,还原更多的图像细节信息.实验结果验证了该方法在恢复受运动模糊影响的图像上具有显著优越性,为图像去模糊领域的进一步发展提供了新方向. 展开更多
关键词 图像去模糊 分数微积分 分数全变分 去噪扩散概率模型
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分数阶微积分模型DWI结合SMS技术在乳腺良恶性病变中的应用价值 被引量:1
3
作者 汪飞 孙宜楠 +5 位作者 张宝媞 陈明 杨擎 陈曦 刘孟潇 朱娟 《磁共振成像》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期48-54,共7页
目的 探讨分数阶微积分(fractional-order calculus, FROC)模型扩散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)结合多层同时(simultaneous multi-slice, SMS)技术在乳腺良恶性病变中的应用价值。材料与方法 回顾性分析2021年1月至2022... 目的 探讨分数阶微积分(fractional-order calculus, FROC)模型扩散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)结合多层同时(simultaneous multi-slice, SMS)技术在乳腺良恶性病变中的应用价值。材料与方法 回顾性分析2021年1月至2022年12月在我院接受乳腺MRI扫描的124例患者(141个病变),所有患者均应用3.0 T MR行两组多b值(14个b值、最高b值3 000 s/mm^(2)) DWI扫描,一组为常规单次激发平面回波成像(single-shot echo planar imaging, SSEPI)-DWI,另一组为SMS-SSEPI-DWI。采用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验比较良恶性病变组的图像质量评分、FROC模型参数值[异常扩散系数(D)、体素内扩散异质性参数(β)和空间参数(μ)]和表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值。并利用受试者工作特性(receiver operating characteristic, ROC)曲线评价各参数的诊断效能。应用Bland-Altman图评估两组DWI衍生参数间的一致性。结果 乳腺恶性病变的ADC、D、β值均低于良性组,差异具有统计学意义(P<0.05),恶性病变的μ值高于良性组,差异具有统计学意义(P<0.05)。在SSEPI-DWI和SMS-SSEPI-DWI序列中,D值曲线下面积最大,β值诊断敏感性最高,D值特异性最高。Bland-Altman图显示两组DWI序列衍生的相对应参数值均无偏倚,具有良好的一致性。结论 基于SMS-SSEPI-DWI FROC模型可以在临床可接受时间内提供良好的图像质量和病变特征参数值,与SSEPI-DWI相比,其在鉴别乳腺良恶性病变方面具有一致的诊断性能,D值和β值表现出较好的诊断性能。 展开更多
关键词 乳腺癌 分数微积分模型 多层同时扩散加权成像 表观扩散系数 磁共振成像
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页岩气储层中甲烷运移的变分数阶导数模型研究
4
作者 常爱莲 黄乐 +2 位作者 张郡铄 姜天奇 邵明鲁 《力学季刊》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期825-833,共9页
因页岩气开采过程中形成的复杂流动缝网系统,导致甲烷气体向浅层地下水迁移,从而引起地下水甲烷含量超标,引发的地下水污染问题是当前备受关注的环境问题之一.因页岩储层结构的复杂性与随机性,且非均质性较强,甲烷在页岩储层中的运移规... 因页岩气开采过程中形成的复杂流动缝网系统,导致甲烷气体向浅层地下水迁移,从而引起地下水甲烷含量超标,引发的地下水污染问题是当前备受关注的环境问题之一.因页岩储层结构的复杂性与随机性,且非均质性较强,甲烷在页岩储层中的运移规律有待深入研究.甲烷在基岩中以扩散为主,在裂缝中以渗流为主,从流动建模的角度来看经典对流-扩散模型不能有效刻画甲烷气体的运移规律.针对强非均质性页岩储层结构特点,本文建立能够准确描述具有历史依赖性的运移过程的变时间分数阶导数模型,揭示甲烷在非均匀介质中的反常扩散特征,模拟甲烷的浓度穿透曲线,有效刻画甲烷运移规律.结果表明:变阶数α(t)能够表征甲烷运移过程的时间记忆性,刻画浓度穿透曲线具有的明显拖尾特征及停滞效应.本研究解决了传统整数阶方程无法准确描述的反常扩散现象,为预测双碳目标下的页岩气开采过程中的地下水污染风险提供一种理论指导. 展开更多
关键词 分数导数模型 页岩气储层 甲烷 数值模拟 反常扩散
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分数阶漂移-扩散模型解的Gevrey解析性和衰减率
5
作者 罗永轲 赵继红 《宝鸡文理学院学报(自然科学版)》 CAS 2023年第1期1-7,18,共8页
目的研究一类分数阶漂移-扩散模型整体解的Gevrey解析性和衰减率,该模型是半导体中经典模型Poisson-Nernst-Planck方程组的推广模型,数学形式上表现为分数阶非线性抛物型和椭圆型偏微分方程耦合而成的混合型方程组。方法利用多线性奇异... 目的研究一类分数阶漂移-扩散模型整体解的Gevrey解析性和衰减率,该模型是半导体中经典模型Poisson-Nernst-Planck方程组的推广模型,数学形式上表现为分数阶非线性抛物型和椭圆型偏微分方程耦合而成的混合型方程组。方法利用多线性奇异积分算子理论和Fourier微局部分析技术进行研究。结果与结论证明了分数阶漂移-扩散模型在临界Fourier-Besov空间中的整体解是Gevrey解析的,并得到了此整体解的衰减率。 展开更多
关键词 分数漂移-扩散模型 整体解 Gevrey解析性 衰减率
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时间分数阶对流扩散方程的有限点法分析
6
作者 陈有玲 《平顶山学院学报》 2023年第5期15-22,共8页
基于有限差分法得到时间离散格式和利用有限点法建立离散代数系统,提出了数值求解时间分数对流扩散方程的无网格有限点法,详细推导了时间离散格式是无条件稳定的和该方法的理论误差估计.数值算例验证了理论结果,并验证了该方法的有效性... 基于有限差分法得到时间离散格式和利用有限点法建立离散代数系统,提出了数值求解时间分数对流扩散方程的无网格有限点法,详细推导了时间离散格式是无条件稳定的和该方法的理论误差估计.数值算例验证了理论结果,并验证了该方法的有效性和收敛性. 展开更多
关键词 无网格有限点法 时间分数对流扩散方程 稳定 误差估计
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地下水溶质反常运移的分数阶对流扩散模型研究进展 被引量:4
7
作者 王景瑞 赵建世 胡诗若 《中国环境科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期5845-5855,共11页
地下水溶质在非均质多孔介质中的扩散过程并不总是遵循Fick定律,因此称为反常扩散或反常运移,其本质上是非马尔可夫非局域性过程.分数阶对流扩散模型可以对含水层中溶质的这种运移进行充分而准确的描述.本文在阐明多孔介质溶质反常运移... 地下水溶质在非均质多孔介质中的扩散过程并不总是遵循Fick定律,因此称为反常扩散或反常运移,其本质上是非马尔可夫非局域性过程.分数阶对流扩散模型可以对含水层中溶质的这种运移进行充分而准确的描述.本文在阐明多孔介质溶质反常运移基本问题及其动力学机理基础上,综述了三类分数阶对流扩散模型,即空间分数阶对流扩散模型、时间分数阶对流扩散模型和分布式分数阶对流扩散模型,并详细讨论了分数阶对流扩散模型在地下水溶质反常运移领域的应用前景和挑战. 展开更多
关键词 非均质性 尺度效应 反常运移 分形理论 连续时间随机游走 分数对流扩散模型
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变系数空间分数阶对流-扩散方程的隐式差分逼近 被引量:9
8
作者 马亮亮 田富鹏 《中北大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2014年第1期11-14,共4页
在一般对流-扩散方程的基础上,研究了变系数空间分数阶对流-扩散方程的隐式差分逼近格式.利用Grünwald改进型公式和时间、空间一阶差商公式对分数阶导数进行离散,提出了一个计算有效的隐式差分近似.利用分数阶离散系数的特点和Lax... 在一般对流-扩散方程的基础上,研究了变系数空间分数阶对流-扩散方程的隐式差分逼近格式.利用Grünwald改进型公式和时间、空间一阶差商公式对分数阶导数进行离散,提出了一个计算有效的隐式差分近似.利用分数阶离散系数的特点和Lax等价定理,证明了这个差分格式是无条件稳定的,并且证明了它的收敛性.最后通过数值例子验证了提出的差分格式是可靠和有效的. 展开更多
关键词 对流-扩散方程 分数导数 隐式差分 稳定性 收敛性
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时间-空间分数阶对流扩散方程的有限差分解法(英文) 被引量:4
9
作者 张阳 于志玲 《南开大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2009年第5期51-56,共6页
通过对空间分数阶导数采用修正的Grunwald有限差分逼近,给出了数值求解时间-空间分数阶导数对流扩散方程的一种隐式差分格式.证明了格式的兼容性、无条件稳定性及一阶收敛性,并给出了数值算例.
关键词 对流扩散方程 分数导数 隐式差分格式 稳定性 收敛性
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两边空间分数阶对流-扩散方程的一种加权显式有限差分方法 被引量:3
10
作者 马亮亮 刘冬兵 《四川师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2016年第1期76-82,共7页
考虑两边空间分数阶对流-扩散方程的初边值问题,基于Grünwald公式和移位Grünwald-Letnikov公式,提出一种加权显式有限差分解法.利用傅里叶变换和特征值法,得到差分格式的稳定性.然后使用最大模估计法证明在相同的条件下,所提... 考虑两边空间分数阶对流-扩散方程的初边值问题,基于Grünwald公式和移位Grünwald-Letnikov公式,提出一种加权显式有限差分解法.利用傅里叶变换和特征值法,得到差分格式的稳定性.然后使用最大模估计法证明在相同的条件下,所提出的差分格式是收敛的.最后通过数值例子说明所提出的差分格式是可靠和有效的,并对方程的数值解与精确解进行比较,验证了文中的理论结果. 展开更多
关键词 分数对流-扩散方程 空间分数导数 加权差分格式 收敛性 稳定性 有限差分法
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一类变时间分数阶含源项非定常奇异摄动对流扩散方程的数值分析 被引量:3
11
作者 马亮亮 刘冬兵 《沈阳大学学报(自然科学版)》 CAS 2013年第5期424-427,共4页
考虑了变时间分数阶含源项非定常奇异摄动对流扩散方程的数值逼近问题.首先采用分段线性插值法,结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数,最后用数值... 考虑了变时间分数阶含源项非定常奇异摄动对流扩散方程的数值逼近问题.首先采用分段线性插值法,结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数,最后用数值例子验证了提出的数值方法,说明了数值方法的有效性. 展开更多
关键词 对流扩散方程 Coimbra变分数导数 数值逼近 中心差分 空间分数导数
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Riesz空间分数阶对流扩散方程的一种计算有效求解方法 被引量:2
12
作者 沈淑君 刘发旺 《厦门大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2008年第1期20-24,共5页
Riesz空间分数阶对流扩散方程是从混沌动力系统导出的.继续Ilic,Liu等的工作,我们提出在有界区域内求解Riesz空间分数阶对流-扩散方程的一种新的计算有效方法.即基于这两个Riesz空间分数阶导数的矩阵表示.这个方法的创新在于这个算子的... Riesz空间分数阶对流扩散方程是从混沌动力系统导出的.继续Ilic,Liu等的工作,我们提出在有界区域内求解Riesz空间分数阶对流-扩散方程的一种新的计算有效方法.即基于这两个Riesz空间分数阶导数的矩阵表示.这个方法的创新在于这个算子的标准离散得到包含具有相同分数次幂的矩阵的一个常微分方程组,并利用计算有效的分数阶行方法求解.同时借助于分数阶导数的谱表示和拉普拉斯变换,导出这个Riesz空间分数阶对流扩散方程的解析解.最后给出了数值例子来证实数值方法的有效性. 展开更多
关键词 Riesz空间分数导数 矩阵转换技巧 拉普拉斯变换 对流扩散方程 行方法
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变系数空间分数阶对流-扩散方程的有限差分解法 被引量:13
13
作者 马亮亮 《沈阳大学学报(自然科学版)》 CAS 2013年第4期341-344,共4页
考虑了一个变系数空间分数阶对流-扩散方程.这个方程是将一般的对流-扩散方程中的空间二阶导数用β(1<β≤2)阶导数代替.提出了一个隐式差分格式,验证了这个差分格式是无条件稳定的,并证明了它的收敛性,其收敛阶为o(τ+h),最后给出... 考虑了一个变系数空间分数阶对流-扩散方程.这个方程是将一般的对流-扩散方程中的空间二阶导数用β(1<β≤2)阶导数代替.提出了一个隐式差分格式,验证了这个差分格式是无条件稳定的,并证明了它的收敛性,其收敛阶为o(τ+h),最后给出了数值例子. 展开更多
关键词 对流-扩散方程 分数导数 隐式差分 稳定性 收敛性
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变时间分数阶非定常对流扩散方程的数值分析 被引量:6
14
作者 马亮亮 《辽东学院学报(自然科学版)》 CAS 2013年第3期207-210,共4页
考虑变时间分数阶非定常对流扩散方程的数值逼近问题,首先,采用分段线性插值法结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后,用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数。最后,用数值例子验证了提出... 考虑变时间分数阶非定常对流扩散方程的数值逼近问题,首先,采用分段线性插值法结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后,用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数。最后,用数值例子验证了提出的数值方法,说明了数值方法的有效性。 展开更多
关键词 变时间分数对流扩散方程 Coimbra变分数导数 数值逼近 中心差分 空间分数导数
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特慢扩散的一种分数阶结构导数模型 被引量:1
15
作者 陈文 黑鑫东 梁英杰 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2016年第6期599-608,共10页
自然界和工程中存在很多比幂率慢扩散(sub-diffusion)过程更慢的扩散,即特慢扩散(ultra-slow diffusion).特慢扩散难以用传统的反常扩散建模方法来描述.Sinai(西奈)随机模型描述了一种特殊的对数关系特慢扩散.运用Mittag-Leffler(米塔格... 自然界和工程中存在很多比幂率慢扩散(sub-diffusion)过程更慢的扩散,即特慢扩散(ultra-slow diffusion).特慢扩散难以用传统的反常扩散建模方法来描述.Sinai(西奈)随机模型描述了一种特殊的对数关系特慢扩散.运用Mittag-Leffler(米塔格-累夫勒)函数的反函数,将Sinai扩散拓展为一般的特慢扩散.此外,该文的模型引入初始状态参量,解决了Sinai对数扩散不适用于初始时刻附近的问题.作为分数阶导数的一般情况,该文也引入了分数阶结构导数的概念,并用来建立特慢扩散的控制微分方程. 展开更多
关键词 特慢扩散 Sinai随机模型 Mittag-Leffler反函数 分数结构导数 扩散方程
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时间分数阶二维对流扩散方程多点源强的数值反演 被引量:1
16
作者 李慧玲 李功胜 +1 位作者 贾现正 池光胜 《山东理工大学学报(自然科学版)》 CAS 2013年第6期1-6,共6页
对于一类带有多个点源的二维反常扩散问题,基于Caputo意义下时间分数阶导数的离散,给出了一个有限差分求解格式.在已知点源个数及位置的前提下,根据终止时刻的浓度观测数据,应用最佳摄动量正则化算法对源强度识别反问题进行了有效的数... 对于一类带有多个点源的二维反常扩散问题,基于Caputo意义下时间分数阶导数的离散,给出了一个有限差分求解格式.在已知点源个数及位置的前提下,根据终止时刻的浓度观测数据,应用最佳摄动量正则化算法对源强度识别反问题进行了有效的数值反演,并讨论了正则参数、分数微分阶数及数据扰动等因素对反演算法的影响. 展开更多
关键词 时间分数导数 二维对流扩散 多点源 反问题 最佳摄动量正则化算法 数值模拟
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一种时间分数阶对流扩散方程的隐式差分近似 被引量:5
17
作者 马亮亮 《西北民族大学学报(自然科学版)》 2013年第1期7-12,共6页
考虑时间分数阶对流扩散方程时,将一阶的时间导数用分数阶导数α(0<α<1)替换,给出一种计算有效的隐式差分格式,并证明这个隐式差分格式是无条件稳定、无条件收敛的.最后用数值例子说明差分格式是有效的.
关键词 时间分数对流扩散方程 CAPUTO导数 隐式差分格式 稳定性 收敛性
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复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度计算方法
18
作者 王自强 曹俊英 《贵州科学》 2014年第5期38-40,共3页
给出了具有三维周期结构的复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度计算方法。首先,从三维的时间分数阶对流扩散问题出发定义局部单胞函数。根据得到的局部单胞函数计算出等效的均匀化参数,进而得到均匀化方程。其次,利用积分投... 给出了具有三维周期结构的复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度计算方法。首先,从三维的时间分数阶对流扩散问题出发定义局部单胞函数。根据得到的局部单胞函数计算出等效的均匀化参数,进而得到均匀化方程。其次,利用积分投影近似求解均匀化方程的均匀化解。最后,利用均匀化解和局部单胞函数构造出复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度近似解。 展开更多
关键词 复合材料板 时间分数对流扩散问题 双尺度算法 均匀化
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空间—时间分数阶对流扩散方程的分析解及基本解的性质
19
作者 郑达艺 《福建教育学院学报》 2007年第10期103-106,共4页
本文考虑空间时间分数阶对流—扩散方程(即在一个标准对流—扩散方程中,用β(0<β≤1)阶导数代替时间一阶导数,用a(1<a≤2)阶导数代替空间二阶导数,用γ(0<γ≤1)阶导数代替空间二阶导数的分析解,通过Fourier变换,Laplace变换... 本文考虑空间时间分数阶对流—扩散方程(即在一个标准对流—扩散方程中,用β(0<β≤1)阶导数代替时间一阶导数,用a(1<a≤2)阶导数代替空间二阶导数,用γ(0<γ≤1)阶导数代替空间二阶导数的分析解,通过Fourier变换,Laplace变换以及其逆变换等方法求得方程的分析解,并对其基本解进行讨论。 展开更多
关键词 空间时间分数对流-扩散方程 FOURIER变换 LAPLACE变换
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分数阶对流扩散方程的特征有限元方法 被引量:5
20
作者 朱晓钢 聂玉峰 +1 位作者 王俊刚 袁占斌 《计算物理》 CSCD 北大核心 2017年第4期417-424,共8页
讨论非线性分数阶对流扩散方程的特征有限元方法.利用特征线法和分数阶有限元框架,构建一种基于特征方向的全离散有限元格式.模拟物理问题,并在数值上与常规有限元格式进行比较,计算结果表明:该方法能准确地捕捉到控制方程的精确解,即... 讨论非线性分数阶对流扩散方程的特征有限元方法.利用特征线法和分数阶有限元框架,构建一种基于特征方向的全离散有限元格式.模拟物理问题,并在数值上与常规有限元格式进行比较,计算结果表明:该方法能准确地捕捉到控制方程的精确解,即使是在对流效应占优时,也具有稳定性好和逼近精度高等特征. 展开更多
关键词 分数微积分 对流扩散方程 特征有限元方法
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