非定常辐射输运问题的蒙特卡罗自适应偏倚抽样

用蒙特卡罗(MC)方法模拟高温、高压、多介质、大变形辐射输运问题时,由于网格体积悬殊,导致各网格通量的统计误差涨落很大,随着时间步的增加,误差积累甚至会导致计算结果失真.为此,发展了针对全局网格计算的源偏倚抽样技巧.用于源偏倚抽样的价值函数基于上个时间步各网格通量及误差,通过加权构造产生,它比传统MC通过解伴随方程获取价值的性价比要高得多.数值试验表明,全局源偏倚抽样通过自适应分配当前时间步各网格的粒子数,有效地降低了当前步重要网格通量误差. 关键词： 非定常 辐射输运 蒙特卡罗 源偏倚抽样     

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.     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

基于能量密度分布的辐射源粒子空间抽样方法研究

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时,物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量.传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法,对于大多数问题,这样处理不会带来大的偏差.但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内温差显著的问题,体平均抽样方法的计算结果偏差较大.分析了产生偏差原因,提出一种基于辐射能量密度分布的辐射源粒子空间位置抽样方法,并推导了相应的抽样公式以解决此类问题.数值实验表明,新方法计算结果明显优于原方法且与解析结果基本一致.     

热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

惯性约束聚变研究中,热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一.隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程,但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时,该方法花费的计算时间将变得很长,导致模拟效率很低.本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础,开发了"离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序",可以较好地解决重介质区的计算效率问题,但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高.辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质,为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题,本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法,并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法,研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序.典型辐射输运问题模拟显示:在模拟重介质问题时,该程序能大幅缩短模拟时间,且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果;在模拟轻重介质均存在的问题时,与隐式蒙特卡罗方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.     

神光III主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.     

神光Ⅲ主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.     

基于蒙特卡罗正算输运的全局减方差方法

蒙特卡罗方法是当前形势下辐射屏蔽计算的首选分析工具。小概率深穿透问题则是屏蔽计算的关键与亟待解决的核心问题,需要使用有效的减方差技巧。针对全局问题,利用蒙特卡罗正算输运得到的粒子通量或探测响应来构建权重窗参数,将现有的粒子位置偏移拓展到位置和能量偏倚。利用国际屏蔽基准题进行测试验证,通过使用该方法,粒子被引导到模型的所有位置。平均相对误差降低到10%以下,几乎所有网格区域都有粒子统计。结果表明,基于蒙特卡罗正算输运的输运偏倚参数构建方法能够实现全局减方差。     

非均匀大气中γ射线输运的蒙特卡罗模拟方法

γ射线在高空大气中的输运问题常采用蒙特卡罗方法进行模拟,但由于大气是非均匀连续介质,通常需要根据高度上的密度变化将大气进行分层处理.高空大气密度变化非常剧烈,精细的分层会带来很大的计算量.针对非均匀连续介质中的粒子输运问题,利用质量距离抽样方法代替传统的步长抽样方法,提出一种可直接模拟粒子在非均匀连续介质中输运的蒙特卡罗方法,实现γ射线在非均匀大气中输运的蒙特卡罗模拟,并与MCNP程序的计算结果进行比较,结果符合较好.     

计算动态系统网格通量场的驿站重要抽样方法

对与时间有关输运问题计算条件下,全系统不同网格体通量计算统计涨落较大,甚至个别网格很难得到计数的现象,提出驿站重要抽样方法.研究可以选择的重要性函数,给出抽样方法,推导重要性偏倚抽样的源粒子纠偏权重公式.经过推导证明连续多时间步抽样计算不存在粒子纠偏权发散问题.数值模拟结果表明,采用驿站重要抽样方法,全系统精细网格通量场计算精度基本一致,整体计算结果得到明显改善.     

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.     

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.     

金属氧化物半导体场效应管长期辐射效应的数值模拟

将粒子输运的蒙特卡罗方法与器件数值模拟的有限体积法相耦合来模拟典型金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的长期辐射效应。二氧化硅中的陷阱电荷及硅中的自由电子和空穴均使用漂移扩散模型来描述,入射粒子的能量沉积可作为源项耦合至漂移扩散模型方程,并根据有限体积法得到控制方程的离散格式,方程的数值解即为MOSFET的长期辐射响应结果。使用该方法模拟了MOSFET受射线粒子辐照后的阈值电压漂移与关态漏电流现象。结果表明,耦合方法适用于典型半导体器件长期辐射效应模拟,其阈值电压漂移及漏电流计算结果与文献符合较好。     

粒子输运方程的确定论计算方法

针对实际应用中辐射和中子输运数值模拟,讨论球一维和柱二维几何粒子输运方程确定论计算方法的研究现状,包括离散纵标、球谐函数、迭代加速、并行计算等方法.重点讨论输运计算方法所取得的若干研究进展,包括离散纵标求积组、自适应时间离散格式、本征值迭代求解方法、简化球谐函数方法、修正的子网格隅角平衡方法、灰体综合加速方法、迭代初值选取方法、输运与扩散耦合方法、基于预估校正的并行格式等.简要介绍了相关输运计算程序的研制情况,并分析输运计算方法存在的难点,提出待开展研究的内容.     

非定常粒子输运蒙特卡罗散射源分层抽样方法

定常粒子输运蒙特卡罗并行计算是成功的,因为粒子游动是独立的,可以把模拟的粒子数等分到每个处理器去.然而,对非定常问题,由于每个时间步涉及散射源和几何网格的通讯,它严重的制约了并行规模,导致并行不可扩展.研究了两种算法,采用自适应分配处理器,提高了加速比和处理器的利用率;采用蒙特卡罗分层抽样大大降低了处理器之间散射源的通讯量,并行可扩展性显著改善,取得了理想的加速比.     

强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟

提出一种自适应网格方法,应用于基于Euler方法的强爆炸辐射流体高精度数值求解。通过与Zinn数值结果对比,验证该方法的正确性。研究自适应网格对冲击波和光辐射输出模拟精度的影响,对比不同网格尺度下的计算耗时。在相同的条件下,使用自适应网格与均匀网格加密3倍得到的冲击波超压分布、光辐射输出演化接近,计算效率提升约8.5倍。由此可知,提出的自适应网格方法可用于强爆炸问题的高精度数值模拟,显著地提升模拟精度和模拟效率。     

提高超高能中子计算效率的蒙特卡罗抽样技巧

利用蒙特卡罗方法模拟中子与中子碰撞及超高能中子的产生与输运,原有抽样方法需要模拟大量样本方能使与超高能中子有关统计量的计算误差达到要求.针对ICF聚变靶中子输运问题的特点,发展一种"加权赌分裂抽样方法",以增加重要区域的抽样数、减少非重要区域的抽样数,同时通过权修正保证计算结果无偏.典型模型数值模拟计算结果显示,该方法能够有效增加聚变区的中子抽样数、增加中子相互碰撞数,使超高能中子通量计算误差显著降低,达到提高超高能中子计算效率的目的.     

辐射输运与电子能量强耦合源项的一种高效计算方法

本文研究辐射输运和电子能量耦合方程组的数值方法. 在具有光性厚特征的应用问题中,这两类方程的耦合源项表现出强刚性,使得设计稳健高效的数值格式陷入困难.针对辐射输运多群模型和电子能量的耦合方程组的刚性源项,我们给出一种基于电子温度变化规律拟设（ansatz）的积分算法,其时间步长不受刚性源项限制,从而使得计算效率比传统显式方法或隐式非线性迭代获得本质的提高.在所基于的拟设有效时,算法确保给出具有物理意义的解,数值算例显示其给出的解具有较高的精确度.     

辐射与物质强耦合问题的二维输运数值模拟

分析确定性输运数值方法模拟辐射与物质强耦合问题的难点,给出在任意四边形网格上求解该类问题的简单隅角平衡算法,并应用灰体输运综合加速算法提高输运方程的源迭代收敛速度,最后给出数值例子.     

粒子输运离散纵标方程基于界面修正的并行计算方法

为了改造粒子输运方程求解的隐式格式,研究设计适应大型并行计算机的并行计算方法,介绍一类求解粒子输运方程离散纵标方程组的基于界面修正的源迭代并行计算方法.应用空间区域分解,在子区域内界面处首先采用迎风显式差分格式进行预估,构造子区域的入射边界条件,然后,在各个子区域内部进行源迭代求解隐式离散纵标方程组.在源迭代过程中,在内界面入射边界处采用隐式格式进行界面修正.数值算例表明该并行计算方法在精度、并行度、简单性诸方面均具有良好的性质.