基于格子玻尔兹曼-元胞自动机模型的固空凝固相变模拟

为研究液氢中固态空气(固空)在流场中的凝固过程,本文将空气视为氮氧混合物,采用格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)方法模拟固空晶体在强迫对流下枝晶生长过程及其晶体中氮氧浓度分布。研究发现:流场对枝晶形貌的影响表现在迎流侧与背流侧枝晶生长速度不平衡。上游的凝固潜热与析出溶质随流场在下游积聚,上下游浓度场与温度场有较大区别,导致迎流侧枝晶生长得到促进背流侧受到抑制。随着流速的增大,生长不对称性更明显,且富氧区氧浓度升高。当流速增加到0.05 m/s时,富氧区浓度达到23.48%,液氢系统爆炸风险增大。随着过冷度增大,流场导致的固空晶体形貌不对称性被削弱。在多晶粒共同结晶时,中心晶粒生长受明显抑制,且氧峰值浓度及富氧区面积较单晶粒生长时有明显提高。

基于元胞自动机-格子玻尔兹曼模型的枝晶碰撞行为模拟

合金凝固过程中,游离枝晶在熔体中的运动行为是研究合金凝固组织形成过程的关键问题之一.元胞自动机-格子玻尔兹曼耦合模型是近年来进行凝固微观组织数值模拟的主要数值模型.本文改进了模拟枝晶生长的元胞自动机和格子玻尔兹曼模型,使其能够模拟过冷熔体中等轴晶的运动行为.改进的模型采用伽利略不变的动量交换法计算流体力,通过求解质心运动方程计算枝晶的运动位移,并通过动网格技术实现枝晶的运动,运用硬球模型处理枝晶的碰撞.采用该模型模拟了Al-4.7%Cu合金过冷熔体中单枝晶的沉降、牛顿流体中两圆形粒子的沉降和两枝晶的弹性碰撞.模拟结果表明,本模型在计算枝晶生长运动过程时可以很好地维持枝晶的形貌.采用本模型计算等轴枝晶的碰撞过程表明,枝晶的运动会扰动其周围的熔体,造成周围熔体浓度显著变化,进而影响枝晶的生长,加剧枝晶生长的不对称性.

六方格子行人疏散元胞自动机模拟研究

在正六边形网格上建立六方格子行人疏散元胞自动机模型,模拟研究房间内的行人疏散过程,并在3种人员密度(0.1,0.3,0.5)下,比较分析六方子格模型与四方格子模型在房间出口宽度,行人平均速度和平均流量与疏散时间等参数下的差异。结果表明,在同样人员密度下,六方格子模型比四方格子模型平均疏散时间更短,行人疏散得更快,四方格子模型系统平均速度与平均流量比六方格子更大。行人在疏散过程中为了更快地逃离房间可以考虑往多个的方向运动,但是要最大限度地避免出现阻塞,并尽快减少出现阻塞的区域,这样才更有利于疏散。

一种基于2-by-n元胞自动机的高质量伪随机数发生器(英文)

为了满足密码学对高质量的随机序列的需求,提出一种新的基于2-by-n元胞自动机的伪随机数发生器。并着重于最大周期的要求,首先介绍了在细胞自动机中与之相关的机制,随后给出了基于2-by-nCA的二维梯形伪随机数发生器,详细说明了该发生器的规则及最大周期。最后使用该发生器产生用于测试的伪随机序列。计算机模拟表明,提出的二维梯形伪随机序列发生器产生的伪随机序列完全可以通过FIPS 140-2测试标准,证明该发生器具有良好的统计特性,完全可以应用于密码学领域。

基于元胞自动机原理的LED基板热-力耦合解析

为了解决微小性结构设计问题中的可变边界条件和多物理场耦合效应的解析难题,提出了基于元胞自动机原理的热-力耦合规则和耦合解析方法。以LED基板热-力耦合现象为研究对象,通过基于元胞自动机原理的热-力耦合解析,得到LED基板温度、位移及热应力耦合的数值结果,并与FEM解析结果比较,证明了方法的有效性。所提出的基于自组织原理的热-力耦合解析方法和思想,为复杂多物理场条件下的微结构工程设计提供了一个具有灵活性的性能解析途径。

元胞自动机模型模拟枝晶一次间距的选择

发展了一个元胞自动机模型来模拟定向凝固中枝晶阵列的一次间距选择.在模型中通过采用简化的生长动力学降低了计算复杂度,并给出了判断系统达到稳定态的方法.基于两种一次间距的调整机制——侧枝不稳定性和湮没不稳定性,分别采取两套不同的数值实验方法:一套是种晶数目固定,采用台阶变速方式;另一套是种晶数目改变,抽拉速度恒定.确定了给定的生长条件下技晶阵列的一次间距的允许范围.模拟结果表明,一次间距的允许范围基本独立于数值实验方法,而允许范围的上限λ_(max)和下限λ_(min)可以一般化地表示为抽拉速度的幂函数.针对丁二腈-2.5%乙醇定向凝同枝晶的生长模拟得出的幂函数参数与文献的实验结果吻合得很好,模拟结果的下限与实验结果下限吻合的程度优于Hunt-Lu模型的下限.

复杂网络上病毒传播的元胞自动机模拟

针对病毒在复杂网络拓扑结构中传播行为的多样性特点,运用元胞自动机模拟病毒传播过程,并采用"易染-感染-免疫"模型和"易染-感染-易染"模型构造元胞自动机模拟方法。实验结果表明,该自动机模型能较好地模拟复杂网络中病毒的传播过程。

基于元胞自动机各向异性扩散模型的图像分割算法

介绍了一种基于元胞自动机各向异性扩散模型的图像分割算法。在扩散模型基础上,引入跨膜介质,构建各向异性扩散模型;然后模拟热扩散方程的活动轮廓模,建立热量场,通过LBADM模型对图像进行分割获得目标分割边缘。实验结果表明,该算法模型能够取得闭合的分割曲线,同样能够很好的处理图像拓扑结构的变化。通过与水平集方法和窄带水平集方法进行计算速度实验对比,表明该算法能够大大减少了分割的计算量。

耦合元胞自动机的尾气排放规律数值模拟

为分析城市道路实际交通条件下汽车尾气的排放规律,对元胞自动机的MCD模型和STCA模型进行改进,构建一种基于速度-加速度查询表耦合交通流元胞自动机的汽车尾气排放量统计模型。在不同交通流服务水平下运行该耦合模型,以获取速度、加速度及工况。对单车的工况分布、3种典型尾气排放历程及1 h与1 km排放总量进行统计分析,结果表明,该模型耦合机理清晰,可用于实际交通服务水平下单车及车流尾气排放规律的分析。

基于元胞自动机的AZ31镁合金复合变形动态再结晶组织演变规律

提出了一种压痕-压平复合变形方法,分析了复合变形基本特征及作用,定义了复合变形程度表征参数,即复合变形压下量、波形间距和复合变形系数。将计算机模拟软件及元胞自动机方法相结合,对AZ31镁合金压痕-压平复合变形过程中的动态再结晶组织演变规律进行数值模拟研究。结果表明,压痕-压平复合变形方法可以有效细化AZ31镁合金的晶粒尺寸,改善组织性能。AZ31镁合金复合变形过程中,随着变形温度的升高、复合变形系数的增加以及复合变形压下量的增大,晶粒尺寸显著降低。数值模拟结果与实验结果相吻合,相对误差小于13.8%。

单车道双概率元胞自动机模型

在分析经典一维单车道元胞自动机模型的基础上,提出了改进FI模型的TPFI模型.该模型在FI模型的基础上增加一个新的随机慢化概率,以减少FI模型中过大的瞬时加速度出现的概率.运用TPFI模型来描述交通流参数:密度-流量关系,发现在取得合适的概率值组合的条件下,该模型模拟的密度-流量曲线比其他元胞自动机模型的模拟结果更加接近于实际数据曲线,通过计算机编程实现车辆时空图模拟,验证TPFI模型与FI模型适用于低密度、高速度的交通流仿真.

混行交通流元胞自动机模型和社会力模型的分析与比较

文中以支路上的机动车和自行车构成的混行交通流为研究对象,分别建立了元胞自动机模型和社会力模型,并基于MATLAB实现仿真。元胞自动机模型对NS模型进行了改进,并根据不同类型车辆的行驶特点,分别制定了自行车、机动车换道规则。社会力模型通过分析模拟车辆的内力和外力实现车辆速度和位置的变化。研究结果表明社会力模型较元胞自动机模型而言,更好地描述混行交通流中的机动车流的速度—流量特性。

微结构热力耦合解析的元胞自动机方法

针对微机电系统多物理场耦合效应有限元解析所遇到的难题,应用元胞自动机的思想来解析其热-力耦合场.以典型微结构中的平板结构为研究对象,根据应变能守恒,将连续性单元转化为米字形桁架结构,并建立元胞空间;从简单的二力杆热力分析出发,推导热应力的局部规则,建立了该平板结构的元胞自动机模型,对热弹性力学中的平面应力问题进行了分析.从实例解析出发,对热应力产生的不同情况进行了模拟分析,验证了所建热-力耦合解析方法的可行性和算法的效率.该解析算法也适用于力载荷或位移载荷,为微结构多物理场耦合解析提供了有效的解析方向.

格子气自动机Look-Up表的简并度

给出格子气自动机中具有三条守恒律的

基于元胞自动机的30CrMo钢动态再结晶组织演变规律研究

根据30CrMo钢的热模拟实验数据,建立了基于动态再结晶物理机制的位错密度、形核率及晶粒长大模型,并采用元胞自动机(CA)方法模拟了30CrMo钢在不同温度及应变速率下的微观组织演变规律。结果显示,通过CA方法模拟得到30CrMo钢的流变应力曲线及平均晶粒尺寸均与实验值吻合较好,所建模型的有效性和准确性得到验证。当应变速率一定时,变形温度越高越利于动态再结晶的充分进行,稳态下晶粒尺寸相对较大;而当变形温度一定时,高应变速率条件下材料的形核率较大,再结晶晶粒较细小。

格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用

文章的目的是对格子玻尔兹曼方法进行系统的介绍,格子玻尔兹曼方法(Lattice BoltzmannMethod)的出现直接来源于20世纪60年代的元胞自动机(Cellular Automata)思想,而这一方法用于解决流动现象时,又可以追溯到19世纪的分子运动论,求解的是Boltzmann提出的玻尔兹曼输运方程,因此将这一方法称为格子玻尔兹曼方法,之前也被称为格子气自动机(Lattice Gas Automa-ton)。该方法多用于研究复杂现象,如材料晶体凝聚时的生长过程、城市土地利用的演化等方面。在20世纪70年代由Hardy、Pomeau和Pazzis建立了第一个用于研究流体运动的格子气自动机,此后,这一方法被广泛用来模拟各种流动问题,诸如二相流、孔隙介质中的渗流等,并根据这一方法开发了相应的商业软件PowerFlow。同时,格子玻尔兹曼方法由于其在微观水平描述运动的特点,成为研究湍流的一个很好的数值计算工具,特别是用其进行直接数值模拟(DNS)计算,成为继传统的差分法、有限体积法和谱方法之后的又一有力的手段。而作为大气运动的一个主要现象的大气湍流,比普通湍流更加复杂,在这里着重介绍了大气湍流的特点和应用格子玻尔兹曼方法模拟湍流的发展过程。

非线性0-1规划的元胞蚁群算法

基于元胞自动机原理和蚁群优化算法,提出一种求解非线性0-1规划问题的元胞蚁群优化算法。该算法将元胞的演化规则和蚁群的信息素更新规则相结合,利用元胞及其邻居增强搜索过程的多样性,提高蚁群的全局优化能力。经实验和与其他算法比较,表明该算法可行有效,有良好的全局优化能力。

多目标0-1背包问题的元胞竞争决策算法

为求解多目标0-1背包问题,基于竞争决策算法原理和多目标优化问题的特性,提出了一种求解多目标0-1背包问题的元胞竞争决策算法。将元胞自动机演化规则引入竞争决策算法,给出了算法的具体描述,并使用Delphi7.0实现了算法的具体步骤。为了提高多目标非劣解(Pareto解)的分布性和多样性,利用全局经验作为指导,在最稀疏的Pareto解附近进行邻域搜索。经过大量数据测试和验证,该算法具有真实的Pareto前沿逼近效果,是一种多目标优化问题的有效方法。

基于不规则元胞的主轴温度-结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法(HCAM)耦合场主轴热拓扑优化设计方法.该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化.通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度.利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度-结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.

多目标0-1规划的元胞竞争决策算法

将元胞演化规则与竞争决策算法相结合,提出了一种求解多目标0-1规划问题的元胞竞争决策算法.大量数据测试和验证表明,该算法能有效提高非劣解的分布性和多样性.