温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括Kohn-Sham密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹(ABACUS)中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用

在自然界和工程物理领域存在大量的非平衡、多相等复杂系统和复杂行为。Lattice Boltzmann(LB)方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型;其中,现代版的Lattice Boltzmann Kinetic Model(LBKM)植根于非平衡统计物理学的基本方程—Boltzmann方程。本文从物理学视角评述LB方法,给出单松弛因子和多松弛因子LBKM构建的统一理论,介绍其在非平衡与多相复杂系统研究方面的应用。简单列举LB在多相流、可压流、材料动理学等方面的进展,重点介绍使用LB研究流体界面不稳定性、燃烧等问题的工作。本文所重点传递的信息为:可以通过宏观量研究系统的非平衡行为、可以提供系统偏离热力学平衡引发的宏观效应是LBKM建模优越于宏观连续介质建模的地方;除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进(例如修正项的构造)提供物理参考。

燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模,离散Boltzmann方法(discrete Boltzmann method,DBM)是近年来发展起来的一种新的流体介观建模方法.本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模.主要介绍在燃烧系统模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果.本文重点传递的信息为:作为复杂系统微介观动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出"流动"及其相伴随的、关系最密切的那部分"热动"非平衡效应;它为燃烧等复杂系统中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁、有效的方法;它所提供的热动非平衡测量量有两类:一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的,一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项.基于第二类DBM,可以实现(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.

神光Ⅱ装置上间接驱动烧蚀瑞利-泰勒不稳定性实验分析

在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据,模拟结果与实验结果相符合。神光Ⅱ激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.

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。

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。

多相流系统的离散玻尔兹曼研究进展

针对多相复杂流体系统模拟研究,简要介绍从格子气模型到离散玻尔兹曼方法的发展历程。从统计物理学基本原理出发,通过粗粒化建模思路,给出玻尔兹曼方程;分析Chapman-Enskog多尺度展开方法所蕴含的测量逐步细化的物理图像,给出离散玻尔兹曼建模的基本原则和主要步骤。简要介绍离散玻尔兹曼在相分离、燃烧、流体不稳定性等系统中的应用。对于多相复杂流体系统的动理学建模,技术关键是分子间作用力和化学反应贡献的引入。不同颜色的示踪粒子的引入,使得在单流体理论框架下即可实现混合过程中物质粒子来源的确定;示踪粒子在其速度相空间的分布所形成的结构蕴含丰富的流场信息,为复杂流场研究张开一个全新的视角。在多介质情形,离散玻尔兹曼建模与动理学宏观建模的对应关系是一对多。随着系统非平衡程度加深,相对于动理学宏观建模与模拟思路,离散玻尔兹曼建模与模拟的复杂度上升速度较慢。作为系统行为粗粒化描述的一种物理模型构建方法,离散玻尔兹曼根据研究需求,选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化过程中保值;是动理学直接建模方法的一种,为连续介质建模失效或物理功能不足、而分子动力学方法因适用尺度受限而无能为力的介尺度情形提供了一条方便、有效的研究途径。

时-空守恒元解元(CE/SE)方法综述

时-空守恒元解元方法是近年来兴起的一种全新的高分辨率守恒型方程计算方法.它具有物理概念清晰、计算精度高和格式构造简单等优点,是一种具有广阔发展前景的计算方法.本文详细地介绍了CE/SE方法的基本原理、发展历史、应用情况和最新进展,并指出了当前研究的不足和发展方向.

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象(如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸)中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置(NIF)内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。

相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展

概述相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展.这部分研究内容,根据系统的成分,可分为单介质的两相分离和多介质的相分离;根据物理建模,可分为基于传统流体模型的LBM(lattice Boltzmann method)数值模拟和相分离系统的动理学建模与模拟;根据研究的侧重点,可分为方法(模型)研究和相分离过程研究.离散Boltzmann模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离的两个不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据,可用于不同类型界面的甄别与追踪技术设计.

惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作:(1)聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;(2)激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;(3)等离子体中电磁场结构的质子照相反演。

Corrosion behavior of Hastelloy C22 coating produced by laser cladding in static and cavitation acid solution

The Hastelloy C22 coatings on Q235 steel substrate were produced by high power diode laser cladding technique. Their corrosion behaviors in static and cavitation hydrochloric, sulfuric and nitric acid solutions were investigated. The electrochemical results show that corrosion resistance of coatings in static acid solutions is higher than that in cavitation ones. In each case, coating corrosion resistance in descending order is in nitric, sulfuric and hydrochloric acid solutions. Obvious erosion-corrosion morphology and serious intercrystalline corrosion of coating are noticed in cavitation hydrochloric acid solution. This is mainly ascribed to the aggressive ions in hydrochloric acid solution and mechanical effect from cavitation bubbles collapse. While coating after corrosion test in cavitation nitric acid solution shows nearly unchanged surface morphology. The results indicate that the associated action of cavitation and property of acid solution determines the corrosion development of coating. Hastelloy C22 coating exhibits better corrosion resistance in oxidizing acid solution for the stable formation of dense oxide film on the surface.

经典瑞利-泰勒不稳定性界面变形演化的改进型薄层模型

激光惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸通常采用多壳层组合结构设计,各壳层界面的流体力学不稳定性影响内爆加速和聚变点火,是ICF十分关心的问题.本文建立了描述任意Atwood数、任意初始界面分布Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性界面变形及非线性演化的薄层模型.通过分析薄层中流体微团的受力,得到了运动微分方程组,并在二维情况进行数值求解.在线性阶段,薄层模型描述的界面演变规律与模拟结果符合很好;在非线性阶段,薄层模型可以描述至"蘑菇"形结构,与数值模拟的结果很接近.目前薄层的RT不稳定性非线性解析理论研究仅限于弱非线性阶段,本工作发展的薄层解析理论能很好地研究薄层非线性"气泡-尖钉"发展过程.

Weibel不稳定性自生电磁场对探针质子束的偏转作用研究

Weibel不稳定性的自生电磁场对于等离子体能量输运、无碰撞冲击波形成等物理过程具有关键的影响.实验上往往采用质子束照相来诊断其电磁场结构.一般认为,探针质子束的轨迹偏转主要来自于磁场,而自生电场的作用被认为可忽略不计.本文利用三维粒子模拟程序研究了典型参数下的Weibel不稳定性发展过程,并使用径迹追踪法评估了Weibel不稳定性的质子束照相过程中电场和磁场对探针质子束的偏转作用.对比分析发现,引起探针质子束偏转的主要因素并不是磁场,而是过去研究中常被忽略的电场.主要原因为:Weibel不稳定性的自生磁场往往成管状结构,在使用探针质子束对其进行侧向照相时,磁场的作用会被自身中和并抵消.该认识将有助于深入理解Weibel不稳定性质子照相的实验结果.

强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.

用推广的量子轨迹蒙特卡罗方法研究强场光电子全息

强场光电子全息因其二维光电子动量谱中携带着电子和离子的时空动力学信息,所以在实验中被发现后迅速成为近年来强场超快物理中的一个热点研究领域.本文主要介绍一种推广的量子轨迹蒙特卡罗计算方法.利用这种方法可在更广泛的实验条件下探讨原子分子光电子全息现象背后深层次的物理机理.与含时薛定谔方程的对比发现利用推广的量子轨迹蒙特卡罗方法计算的光电子全息干涉结构的截止能量位置能清楚地反映非绝热隧穿电离效应.而且,我们发现了深隧穿电离条件下一种新颖的圆环干涉结构.这一圆环状干涉结构遮蔽了光电子全息条纹,因此,这一结果表明:深隧穿区并非是形成光电子全息的有利实验条件.在非绝热隧穿区,长程库仑势对于光电子全息的形成起着至关重要的作用.

一个高效的离散Boltzmann爆轰模型

构建一个适用于爆轰过程模拟的离散Boltzmann模型.该模型由一个离散Boltzmann方程和一个唯象反应率方程构成;在物理建模上,它等效于一个传统Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.与传统流体模型相比,它能够提供更多的动力学和动理学信息.该模型采用16个离散速度,相比于使用33个离散速度的模型具有更高的运算效率,模型中引入了额外自由度,通过调节额外自由度的数目,可以模拟各种不同比热比的爆轰.采用爆轰问题中的一些经典算例对所建立的模型进行数值验证.结果表明:该模型不仅对传统流体模型所能模拟的爆轰问题有效,而且能够用于一些传统流体模型不能描述的非平衡过程,有利于对爆轰问题的深入研究.

基于基因表达式编程的数据驱动湍流建模

计算流体动力学是湍流研究的重要手段,其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用.雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度,而实际工程应用中常用的模型往往精度有限.近年来,数据驱动的湍流建模方法得到越来越多的关注.本文介绍了基于基因表达式编程(gene-expression programming,GEP)方法的湍流建模相关进展.本文首先讨论基因表达式编程应用于湍流建模的具体方法,包括基本算法、显式代数应力模型和湍流传热两种建模框架、模型测试方法以及损失函数设置等.在此基础上,基因表达式编程方法被应用于涡轮叶栅尾流混合、竖直平板间自然对流、三维横向流中的射流等问题.结果表明,GEP可以有效提升常用模型对于尾流混合损失、壁面热通量等关键参数的预测精度.基因表达式编程方法可以显式给出模型方程,因此模型具有可解释性强等特点.基于双向耦合方法得到的模型还被证明具有较好的后验测试精度和鲁棒性.基因表达式编程方法还被初步应用于大涡模拟亚格子应力和边界层转捩等问题的建模,在不同湍流建模领域表现出很大的潜力.

化学反应速率对爆轰特性的影响研究—基于离散Boltzmann模型

基于我们课题组以前提出的高速可压LBGK模型[Gan, Xu, Zhang, Yang, EPL 103 (2013) 24003],发展了一个适用于模拟爆轰问题的离散Boltzmann模型。化学反应率模型采用只保留增长项的Lee模型。基于新构建的模型,模拟了不同反应速率的爆轰情形,找到了一个临界反应速率。当反应速率等于临界反应速率时,模拟的结果与CJ理论值符合较好。当反应速率低于临界反应速率时,爆轰波的波结构中会出现von-Neumann峰,之后从峰值点过渡到稳态,稳态为CJ爆轰状态。当反应速率高于临界反应速率时,爆轰波会以高于CJ爆轰波速的速度向前传播,稳态为弱爆轰状态。