多物理耦合计算中动态输运问题高效蒙特卡罗模拟方法

多物理耦合计算在众多领域都有重要应用.如果其包含粒子输运过程,用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间,因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大,其不可避免地依赖于大规模并行.基于动态输运问题的特点,本文提出了两种新方法:一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法;二是动态输运计算样本数自适应算法.两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少,从而提高了效率.     

基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法

蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一,其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子,计算耗时长,这阻碍了该方法的进一步应用,尤其在需快速响应的情形.本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法,能够实现源分布可变,几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解.首先,为高效生成用于神经网络训练的数据,利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量,在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点.进而,基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实,设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略.该网络的输入是中子源项,输出是目标计数,在几何、材料和目标计数固定的情况下,该神经网络可重复使用,根据新的源项快速准确得到目标计数.本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题.基于若干基准模型的验证表明,训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数,且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.     

反应堆蒙特卡罗临界模拟中均匀裂变源算法的改进

在反应堆pin-by-pin精细建模及蒙特卡罗模拟计算研究中, 由于不同栅元的功率密度差异较大, 导致蒙特卡罗方法临界计算的样本在不同栅元之间的分配不均衡, 由此引起栅元内的各种计数的统计误差差异较大. 为使大部分栅元内计数的统计误差降至一个合理的水平, 单纯增加总样本已不是一个高效的解决方法. 通过在特定临界计算迭代算法的基础上改进并实现均匀裂变源算法的思想, 对大亚湾压水堆pin-by-pin模型取得了具有较高效率的数值结果. 本工作为具有自主知识产权的蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT最终达到反应堆pin-by-pin模型(包括一系列国际基准模型)的模拟性能要求提供了一个有效的工具.     

非定常输运基于香农熵的自动调整样本数策略

对于非定常输运问题提出了一种基于香农熵的自动调整样本数策略。将每一计算步的总样本数划分为若干批并逐步模拟每批中的粒子, 可以在每批粒子模拟结束后通过计算得到该时间步幸存粒子属性分布对应的香农熵值。采用在线收敛性诊断方法, 一旦通过香农熵值序列判断对应的幸存粒子属性分布已经收敛, 则可以提前结束本时间步的计算。对一个空间一维非定常输运模型的计算结果表明, 该策略可以显著减少每一计算步的实际样本数且保持最终的结果基本不变, 从而减少了计算时间, 提高了计算效率。     

马赫数对等离子体碰撞冲击波结构的影响——全动理学模拟研究

利用全动理学粒子(PIC)模拟研究不同马赫(Mach)数条件下等离子体碰撞冲击波的结构。研究发现：在低Mach数条件下,冲击波波阵面位置物理量的分布较为平缓(努森数较小),等离子体的粘性和热流可由经典输运理论描述,这种情况下数值求解双流体方程组得到的冲击波结构与PIC模拟一致。随着冲击波Mach数的增加,冲击波波阵面位置物理量的分布变陡,努森数增加,动理学效应对等离子体输运的影响变得显著。高Mach数条件下,动理学效应主要体现在“先驱离子”对离子粘性和热流的增强以及电子非局域输运对电子热流的影响。通过影响等离子体输运行为,动理学效应可以显著影响冲击波的结构特征。     

反馈控制棘轮的定向输运效率研究

研究了反馈耦合布朗棘轮中粒子处于负载力、时变外力及噪声作用下的定向输运问题.详细讨论了外力作用时间的不对称性、外势空间的不对称性及外力周期等对反馈耦合棘轮中粒子输运效率的影响.研究发现,外力的时间不对称度能促进反馈棘轮中粒子的定向输运,随时间不对称度的增大,反馈棘轮中粒子能获得较大的效率.然而,外势空间的不对称度能有效抑制耦合棘轮中粒子的扩散,达到增强耦合粒子定向输运的效果.同时还发现,存在最优的噪声强度能使耦合粒子的输运效率达到最大.     

蒙特卡罗粒子输运问题的全局降方差方法

精确获得中子通量的时间-空间-能量精细分布对于一类非定常粒子输运蒙特卡罗模拟至关重要.以零方差理论为基础,采取化整为零的策略,把蒙特卡罗方法与离散纵标方法相耦合,用近似重要函数指导蒙特卡罗模拟,给出一种实现蒙特卡罗全局降方差的计算方案.数值算例表明,该计算方案获得了全局降方差的效果.     

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基于Hasegawa-Wakatani湍流模型,数值模拟了托卡马克边缘等离子体中漂移波湍流和相关的反常粒子输运.从等离子体动量守恒方程出发导出了不采用常规的布辛涅斯克近似的带状流方程,论证了大振幅密度扰动和湍性粒子流对激发带状流的贡献可等效地对应于低阶负粘滞阻尼效果.数值模拟表明,大振幅密度扰动的非线性大大增强了带状流饱和振幅,从而有效抑制了湍性粒子输运.研究结果阐明了托卡马克边缘等离子体大振幅密度扰动的非线性对驱动等离子体旋转、动量输运和带状流的重要性.     

基于多种群量子粒子群聚类的模拟电路故障诊断算法设计

为了提高传统模拟电路故障诊断算法的故障诊断精确度和故障诊断效率,设计了一种基于多种群量子粒子群聚类的模拟电路故障诊断算法。首先,采用多种群量子粒子群算法实现特征参数优化,将最优粒子中的非0维度作为选择的最优特征属性,得到最优特征选择集,然后采用马氏距离作为数据样本相似度的度量方式,设计了基于马氏距离的聚类方法实现对模拟电路的故障进行有效诊断,该诊断方法能在线样本不断增加的情况,自适应地增加聚类的个数即故障诊断的类别数,且无需训练参数。仿真实验表明,文中方法能有效实现模拟电路的故障诊断,尤其是能满足在线故障诊断需求,与其它方法相比,具有故障诊断精度和效率高的优点。     

管流中注入粒子的非定常波系的数值研究

使用二维有限体积方法,对在管流中固定位置处注入静止固体粒子的可压缩含灰气体流动进行数值模拟,讨论流场和粒子在过程中的耦合,研究质量增加和热量变化所产生的非定常波系,分析物理参数在过程中的变化.结果表明,在添质和加热过程中,流场会产生不同类型和不同强度的非定常波,在分析其物理规律的同时,讨论添质和加热相互作用导致的波系间转换,最后求解流场中各区域的热力学参数,得到不同的流场速度和粒子温度情况下各非定常波波强的相图,定量解释改变参数引起的非定常波变化规律.     

Spontaneous photon emission from a non-relativistic free charged particle in collapse models: A case study

We study the photon emission rate of a non-relativistic charged particle interacting with an external classical noise through its position. Both the particle and the electromagnetic field are quantized. Under only the dipole approximation, the equations of motion can be solved exactly for a free particle, or a particle bounded by an harmonic potential. The physical quantity we will be interested in is the spectrum of the radiation emitted by the particle, due to the interaction with the noise. We will highlight several properties of the spectrum and clarify some issues appearing in the literature, regarding the exact mathematical formula of a spectrum for a free particle.     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。     

自调整平滑区间粒子滤波平滑算法

针对非线性系统的状态估计问题, 提出了一种自调整平滑区间粒子滤波平滑算法. 该算法的显著特点是根据采样粒子观测值与系统状态观测值之间的偏差动态修正滤波平滑区间的长度, 有效抑制了传统的粒子滤波平滑算法中因区间长度固定可能造成粒子权重重新赋值带来误差增大的问题. 该算法的原理是依据粒子滤波器的工作机理, 把系统状态信息和热槽组成一个抽象的整体, 将粒子滤波平滑过程类比为观测信息和热槽交互的统计力学系统. 在无新的观测信息时, 整个系统遵循热力学第二定律, 即无论从任何初始状态出发, 整个力学系统的熵是非减的; 而当出现新的观测信息时, 粒子滤波器像麦克斯韦妖从新的观测信息中抽取能量传送给热槽, 使整个抽象系统的熵减少, 根据系统熵的递变规律变化对滤波平滑区间的长度加以动态修正, 优化粒子的权重赋值, 进而提高系统状态的估计精度. 利用matlab进行了仿真分析, 验证了该算法的有效性.     

Scintillation optimization of radial Gaussian beam array propagating through Kolmogorov turbulence

The analytical expression for scintillation index of radial Gaussian beam array with coherent combination based on Kolmogorov power-law spectrum in the horizontal path is derived. The influences of the beam number and ring radius on the scintillation index are studied. The results show that the scintillation index can be reduced by increasing beam number and an optimum ring radius is proved to exist. Further, the optimum ring radius greatly depends on the source size and exists only in a certain range of the source size determined by the propagating distance. Additionally, the scintillation index distributions at the receiver greatly depend on the source size.     

参数激励与晶体摆动场辐射的稳定性

寻找新光源, 特别是短波长相干光源备受关注. 本文讨论了晶体摆动场辐射作为短波长激光的可能性和必须满足的基本条件; 指出了至今尚未获得可利用的短波长激光可能不只是技术原因, 而且还有物理原因. 利用参数激励方法对这个问题进行了分析. 在经典力学框架内和偶极近似下, 引入正弦平方势, 把粒子运动方程化为具有阻尼项和参数激励项的摆方程. 利用Melnikov方法讨论了系统的稳定性, 并对系统的临界条件进行了分析. 结果表明: 系统的稳定性与其参数有关, 只需适当调节这些参数, 系统的稳定性就可以原则上得到保证. 关键词： 晶体摆动场辐射 沟道辐射 参数激励 稳定性     

Study of particle tracking algorithms based on neural networks for stereoscopic tracking velocimetry

Stereoscopic-tracking velocimetry can offer an excellent potential for continuously monitoring three-dimensional flow fields for all three-component velocities in near-real-time. Requiring only the deployment of two solid-state cameras with directional freedom in test-section illumination and observation, the system can be built to be compact and robust. For flow velocimetry measurement, increasing the number density in particle seeding is much desirable for maximizing spatial resolution, that is, number of velocity data points of the captured field. The challenge, however, is how to successfully track numerous crisscrossing particles with speed and reliability. In our approach, the task of particle tracking is converted to an optimization problem for which neural networks are applied. Here we present the design and development of the neural networks for particle tracking as well as the investigation results based on both computer simulations and real experiments. The approach appears to be appropriate for near-real-time velocity monitoring, being able to provide reliable solutions achieved by the massive parallel-processing power of the neural networks.     

Intensity profile of chirped polychromatic laser in an apertured system

Propagation expression of chirped polychromatic laser in an aperture system is deduced in our investigation. Influences of the chirp parameter and the aperture width on the intensity profile of the chirped polychromatic laser are studied and illustrated by numerical calculation. The results showed that intensity of the wave rear presents spreading effect but that of the wave front presents narrowing effect. Namely, the intensity distribution spreads with decreasing the aperture width and increasing the chirp parameter in the wave rear whereas it tends to concentrate with increasing the chirp parameter in the wave front. A physical explanation based on a simplified representation indicated that the influence of the chirp parameter on the intensity was determined not only by its quantity but also by the sign of the local time.     

单链表在离子发动机光学系统粒子模拟中的应用

 目前离子发动机光学系统数值模拟大多采用PIC方法，由于该方法需要跟踪单个粒子的运动，因此需要存储每个粒子的位置信息与运动信息。传统的粒子模拟程序中，保存粒子信息大多采用数组的方式，但是采用这种方式存在弊端，例如对粒子总数变化的自适应不好。基于此开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序，该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息。使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性。模拟表明：（1）在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒子信息，无需预先指定最大粒子总数，程序可自适应粒子总数的变化，因此无需进行试算，节省了计算时间；（2）在粒子模拟中采用链式存储结构，由于不存在内存资源的浪费，因而可显著提高程序的存储效率与计算效率。     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.