界面不稳定性诱导的湍流混合问题的RANS统一预测新思路

准确预测由Rayleigh-Taylor(RT)、Richtmyer-Meshkov(RM)和Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合问题具有重要的科学意义和工程价值。在工程实践中,利用雷诺平均湍流模型(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)模拟上述问题是当前及可见的未来最主流的方法。RANS模型主要包括物理模型和模型系数两方面。然而,在实际工程中,存在各类复杂性问题及其相互耦合,使得采用同一套RANS模型统一预测不同混合问题变得极具挑战,而这又是RANS模型能落地工程应用的前提条件。为解决上述问题,本研究直面工程应用,基于整体论思维观提出了实现RANS渐近理想统一预测的新思路,给出了系统确定湍流混合模型系数的新方法,并将其应用至混合领域内的k-L、k-ε和BHR三类(含亚类)主流的RANS混合模型,均实现了同一套湍流混合模型对不同混合问题的统一预测,证明了所提思路和方法在混合领域的适用性和鲁棒性。本工作可为RANS湍流混合模型的工程化应用奠定基础,其核心思路也可望延拓应用至其他领域的湍流模型上。

相场模拟研究AZ31B镁合金的动态再结晶

镁合金被广泛应用于材料科学、航空航天及军事装备等领域。实验发现,镁合金材料在动态加载下的力学响应与介观尺度不连续动态再结晶紧密相关。为此,构建了镁合金动态再结晶的相场模型,以AZ31B镁合金为研究对象,模拟了不同温度(250~400℃)、低应变率(0.01~1.00 s^(-1))加载下的不连续动态再结晶演化过程。再结晶相场模型耦合了塑性应变,实现了应力-应变曲线与再结晶组织演化的迭代求解。模拟发现,再结晶晶粒的体积分数和平均晶粒尺寸随温度的升高而明显增大,随应变率的增大而减小。

模拟微观世界:从薛定谔方程到大原子模型

随着人工智能技术的飞速发展,其与物理建模的结合为微观尺度的科学研究带来了革命性的工具。文章介绍了从薛定谔方程出发的量子力学近似求解方法到大原子模型(LAM)的发展历程,并特别关注机器学习技术在原子尺度模拟中的应用。文中首先讨论人工智能与物理建模结合的理论基础,随后深入分析这一结合在原子尺度模拟中的实现方式,包括机器学习模型的构建和训练策略。还探讨了数据积累、软件工具和工程基础设施对推动该领域进步的重要性,并展望了大原子模型在未来科学研究和工业应用中的潜在影响。通过不断的技术创新和跨学科合作,大原子模型将在材料科学、化学工程、生物技术等多个领域发挥重要作用,推动科学研究和工业应用进入新的发展阶段。

极端条件下3维多物理多介质问题数值模拟中的若干问题

极端条件下3维多物理多介质问题是一类关系国家战略安全问题的重要科学问题.由于理论手段比较欠缺、实验昂贵甚至难以开展,数值模拟是研究这类问题的主要手段.本文回顾这一研究领域数值模拟的历史,分析目前存在的主要挑战,并展望未来的发展趋势.

特征修正并行预条件算法框架

针对实际应用中稀疏线性解法器计算复杂度偏离线性扩展的瓶颈问题,提出特征修正预条件算法统一框架,通过凝练物理特征中影响算法效率的代数特征,结合多层次特征分析,构造特征修正组件。通过几类典型特征修正预条件算法及应用成效,展示了该框架的有效性。

三温能量方程离散线性系统的两层迭代算法收敛因子估计及特征分析

基于代数多重网格(AMG)方法的理论框架,详细分析基于物理量粗化的两层迭代方法(PCTL)算法的具体收敛性质,刻画算法收敛因子的合理上界,为PCTL算法提供理论保证。进一步深入分析影响PCTL算法收敛速度的代数特征,如对角占优性和耦合强度,为PCTL算法的应用和算法调优提供了理论指导。

单模流体界面不稳定性势流理论研究进展综述

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用中,是流体力学研究领域的重要研究课题.在惯性约束聚变工程中,这些不稳定性对于聚变点火过程的成功至关重要.因此,深入理解不稳定性的发展机制并建立相应的理论模型,不仅具有深远的科学意义,而且对实际工程应用具有重要的理论支撑作用.本文详细综述了自1955年Layzer提出势流理论模型以来,学术界在平面单模RT和RM不稳定性界面顶点演化预测方面所取得的一系列研究进展.研究内容涵盖了影响不稳定性发展的多种关键因素,包括初始扰动形式、流体密度比、涡量、表面张力、黏性和可压缩性等.同时,本文深入探讨了这些因素之间的非线性耦合关系和背后的物理机理,并分析了向汇聚几何扩展时由于几何效应所产生的附加影响.最后,本文对单模不稳定性理论未来的发展方向和研究重点提出了展望.

实现可控再冲击Richtmyer-Meshkov混合的理论方案与应用

激波再冲击Richtmyer-Meshkov(RM)湍流混合现象广泛存在于各类自然现象和工程问题中。混合宽度作为刻画RM混合演化最基础的物理量,影响其再冲击后演化的再冲击时间、马赫数等关键物理量已被探明,但定量依赖关系尚存争议。导致上述现状的一个原因在于现有再冲击RM混合实验和模拟方案,难以做到仅让某单一依赖变量孤立变化,导致确定定量关系的难度增加。为此,本文通过取消传统再冲击RM激波管中用于反射激波的固壁,改为一个能自由产生入射激波的开口端,设计了一种新型的再冲击RM混合激波管。新型激波管可通过改变两个入射激波的距离和强度,实现再冲击马赫数和时间的精准可控。本文在描述新型激波管全过程演化的基础上,结合冲击波关系式、等熵波关系式和接触界面相容关系,给出了全过程中各运动学和热力学量的详细理论计算公式。最后,基于这些理论关系和数值模拟,对Leinov等研究的再冲击RM混合实验进行了再评估。发现在某些工况下,实验数据与理论预测存在一定偏差,这可能暗示了关键数据测量中的潜在误差,研究结果为未来的实验和数值模拟提供了参考。

高性能宽谱上转换成像发光二极管性能优化

高性能宽谱上转换成像器件在医疗、食品安全、无损检测和国家安全等领域中发挥着重要作用,但现有半导体上转换器件因探测范围窄、上转换效率低而受到限制。为实现更宽谱和高效的上转换,本文通过优化LED结构,显著提升了棘轮上转换器件的性能。改进后的LED发光效率提升了2个数量级,μA量级的驱动电流下即可开启发光,发光光谱更接近规则洛伦兹线型,器件整体面发光均匀性也显著提升。研究明确了性能优化原则,并为未来上转换器件的改进提供了参考方向。

协变量随机右删失时变系数模型的估计

数据经常因为个体失访,退出实验或者研究结束而出现右删失的现象.右删失数据的研究吸引了很多研究者的兴趣.文献中大部分研究集中在响应变量出现右删失的情况.回归模型中的协变量也可能出现右删失,但相关的研究并不多.本文研究协变量随机右删失时变系数模型的估计问题.我们利用逆概率加权方法直接对目标函数进行调整,而不是调整被删失的协变量,来处理数据的删失.所得估计的渐近性质得到严格证明.通过数值模拟和实例分析,可以看到本文所提方法具有很好的有限样本性质.

激波/平板层流边界层干扰熵增特性

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平衡统计物理学的离散玻尔兹曼方法(DBM)对高马赫数规则反射及激波/层流平板边界层干扰问题进行了仿真研究,借助高阶非守恒动理学矩,DBM可以方便地捕捉黏性和热流等热力学非平衡效应,并定量化研究两者引起的熵产生率。结果表明:对于规则反射,反射激波中的非平衡强度强于入射激波;对于激波/层流平板边界层干扰,激波中黏性引起的熵产生率占主导,边界层中热流引起的熵产生率占主导,两种熵产生率的强度均随马赫数的增加而增强。研究结果可为评估进气道内的流动品质提供理论指导。