B-Z振荡反应实验

介绍了B-Z (Belousov-Zhabotinsky) 振荡反应实验. 在数值模拟中,根据基于FKN机理的Oregonator振子模型对开放体系进行了动力学分析,得到了反应体系的非线性动力学行为;由二维Tyson模型,用差分方法模拟了靶波、双螺旋波的形成过程. 实验中,在封闭的系统中对维生素C的浓度进行了分析检测;在自制的简易开放系统中对反应体系的非线性行为进行了观察;采用割断靶波的方法产生了双螺旋波,同时也观察到了单螺旋波与破碎的螺旋波.     

反应扩散系统中反螺旋波与反靶波的数值研究

采用三变量Brusselator扩展模型在二维空间对反应扩散系统中反螺旋波和反靶波进行了数值模拟,利用色散关系和参量的时空变化研究了反螺旋波与反靶波的形成机制和时空特性,分析了方程参数对反螺旋波与反靶波的影响,获得了多种不同臂数的反螺旋波.模拟结果表明：反螺旋波源于波失稳、霍普失稳,或两种失稳的共同作用,而在反靶波中除上述两种失稳外还同时存在图灵失稳,波的传播方向均由外向内;反螺旋波波头的相位运动方向与波的走向相同,且旋转周期随臂数的增加逐渐增大;多臂数的反螺旋波由于受微扰及边界条件的影响,在波头的持续旋转运动中可以向臂数少的反螺旋波发生转变,并且在一定条件下单臂反螺旋波可实现到反靶波的转变;当不活跃中间物质的浓度的扩散系数超过临界值时,波的传播方向发生改变,系统可以实现反螺旋波到螺旋波以及反靶波到靶波的转变.     

时空调制引起的漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象

以Barkley模型为研究对象, 研究了在时空调制作用下螺旋波时空动力学行为特性. 发现在适当的调制参数的作用下, 能够在同一系统中同时观察到漫游螺旋波与旅行螺旋波. 通过数值模拟研究分析, 给出了能产生漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象的潜在机理, 并详细讨论了在Barkley 模型中要产生这种共存现象的两个必要条件. 关键词： 时空调制 漫游螺旋波 旅行螺旋波     

一种新型混沌产生器

通过构造一个转折点值α可变的三分段线性奇函数，研究一种新型混沌产生器.这种混沌产生器的主要特征是，随着转折点值α在0<α≤1范围内变化时，系统从倍周期分岔进 入混沌状态，可产生双层单螺旋、单层单螺旋、双层双螺旋和单层双螺旋四种不同类型的混沌吸引子，其中双层单螺旋和双层双螺旋为本电路实验中所发现的两类新型混沌吸引子.分析了这种混沌产 生器随α值在0<α≤1范围内变化时的分岔图、李雅普诺夫指数谱、最大李雅普诺夫指 数λ_max以及单层双螺旋和双层双螺旋的功率谱.在此基础上设计硬件电路，进行了计算机模拟和电路实 关键词： 混沌产生器 双层双螺旋 双层单螺旋 电路实验     

间接延迟耦合可激发介质中螺旋波的演化

采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论. 关键词： 螺旋波 被动介质 时间延迟耦合 同步     

Elimination of Anti-spiral Waves by Local Inhomogeneity in Oscillatory Systems

采用系统中的局部不均匀性消除振荡系统中的反螺旋波. 该不均匀性在系统中成为一个波源,不断产生稳定的相波. 研究结果发现,不均匀性的尺寸大小存在一个临界值,如果低于此临界值,则系统将无法激发任何相波. 根据不均匀性形状的不同,系统分别产生靶波和行波. 此外,实验还发现靶波与反螺旋波之间以及行波与反螺旋波之间存在着不同的动态竞争. 数值计算表明,对于行波,无论是低频行波还是高频行波,都可以成功地消除系统中的反螺旋波;而对于靶波,只有低频靶波才可以消除反螺旋波. 此控制方法简单易行,且同样适用于消除向外传播的螺旋波     

气体放电系统中多臂螺旋波的数值分析

采用Purwins的三变量模型, 在二维空间对气体放电系统中多臂螺旋波的形成和转化进行了数值研究. 通过分析方程参数对系统空间的影响, 确定了系统获得稳定螺旋波的参数空间; 得到了斑图由简单静态六边形到螺旋波的演化过程, 分析了螺旋波的形成机制和时空特性; 进一步获得六种不同臂数的多臂螺旋波斑图(例如: 双臂、三臂、四臂、五臂、六臂和七臂螺旋波). 结果表明: 螺旋波斑图出现在图灵-霍普夫(Turing-Hopf)空间, 是Turing模和Hopf模相互竞争、相互作用的结果; 不同臂数的螺旋波波头均在持续地旋转运动, 其运动速度随螺旋波臂数的增加而增大; 随着螺旋波臂数的增加, 其波头的运动形式愈加复杂; 由于受微扰及边界条件的影响, 多臂螺旋波可以向臂数少一的螺旋波发生转变, 数值模拟结果与实验结果符合较好. 关键词： 螺旋波 数值模拟 气体放电     

在具有排斥耦合的神经元网络中有序斑图的熵测量

脑神经网络在一定条件下可以自发出现行波、驻波、螺旋波,这些有序时空斑图的出现往往与某种神经疾病有关,但是其产生的机制尚未完全清楚,如何定量描述这些时空斑图的性质仍需要探索,为了解决这些问题,本文采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究了具有排斥耦合的二维双耦合层神经元网络从混沌初相位开始演化的动力学行为,并用改进的集团熵来描述神经元网络的时空斑图.数值模拟结果表明:排斥耦合既可以促进有序斑图的形成,也可以抑制有序斑图的形成.适当选择排斥和兴奋性耦合强度,排斥耦合可导致单螺旋波、多螺旋波、行波、螺旋波和靶波与其他态共存、行波与驻波共存等有序斑图出现,螺旋波、行波出现概率分别达到0.4555和0.1667.靶波与其他态共存和行波与驻波共存出现概率分别达到0.0389和0.1056,我们提出的集团熵可以较好区分这些有序斑图和混沌态.当排斥耦合强度足够大时,网络一般处于混沌态.当网络处于弱耦合状态时,通过计算集团熵发现网络可以出现很大集团,这些结果有助于理解在实验中观察到的现象,从而能为神经疾病治疗提供帮助.     

随机相位扰动抑制激发介质中漂移的螺旋波

研究了一类二维变量描述的激发系统中漂移螺旋波的抑制问题.通过在整个系统中局部注入带随机相位的电信号，如在系统256×256格点的边界或中心区域中选取4×4或者5×5格点区域施加一个带随机相位的外部激励电信号，在系统内部产生一个持续的靶波信号，实现靶波对螺旋波的动态竞争.数值计算表明：该方法对于Barkley模型中螺旋波有很强的抑制作用，与简单的局部周期信号驱动比较，具有暂态过程比较短的特点，而且对于时空噪声具有一定的抗干扰性.在一定的噪声范围内，即使系统出现不均匀性，也可以观测到靶波，新出现的靶波对螺旋波有抑制作用. 关键词： 螺旋波 靶波 Barkley模型 随机相位     

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.     

时空调制对可激发介质螺旋波波头动力学行为影响及控制研究

本文首先研究了时空调制对可激发介质中周期螺旋波波头动力学行为的影响. 随着时空调制的增大, 螺旋波经历了周期螺旋波、外滚螺旋波、旅行螺旋波和内滚螺旋波的显著变化. 通过定义序参量来定量的描述由时空调制引起的螺旋波在不同态之间非平衡跃迁的临界条件, 及漫游螺旋波波头圆滚圆半径随调制参数的变化情况. 当时空调制增大到某个临界值时, 螺旋波发生了破碎; 再增加时空调制, 螺旋波则发生了衰减, 系统最终演化为空间均匀静息态. 在文中给出了螺旋波发生破碎和衰减的机理和原因. 最后将时空调制方法运用于漫游螺旋波, 实现了将漫游螺旋波控制成周期螺旋波, 或将其控制为空间均匀静息态.     

三层弱循环耦合可激发介质中螺旋波动力学

采用Bär模型研究了具有循环反馈耦合的三层可激发介质中的螺旋波动力学行为,数值模拟结果显示: 在耦合强度较小时, 在各子系统中可观察到螺旋波漂移或漫游; 当耦合强度稍大时, 相互作用既可以使螺旋波漫游或漂移出系统边界而使子系统回到静息态,还可以使子系统的螺旋波态转变为靶波或湍流态, 并观察到子系统的渐近态依赖初值现象; 继续增大耦合强度, 三个子系统的螺旋波可达到近似广义同步; 当耦合强度更大时, 螺旋波演化为湍流态.     

局部不均匀性对时空系统振荡频率的影响

以复金兹堡一朗道方程为模型,利用数值实验方法观察了时空系统中螺旋波斑图的演化行为,发现在局域非均匀参数条件下,系统的螺旋波可以受到该杂质区域的影响而演化成为稳定的靶波.研究表明,内传的螺旋波转换为稳定靶波的必要条件是非杂质系统和杂质系统的振荡频率相等且小于系统的固有频率,并在参数一频率空间形成一个特殊的V形区域,进一步分析表明,该V形区域具有左右对称、两侧靶波传播方向相反以及随杂质区域参数α_2的增大而向参数β_2减小方向平移等性质.     

两层耦合可激发介质中螺旋波转变为平面波

采用Br-Eiswirth模型研究了两层耦合可激发介质中螺旋波的动力学,两层介质通过网络连接,即在每一层介质上,每一列选一个可激发单元作为中心点,在一层介质上同一列的可激发单元只与另一层介质上对应的中心点及其8个邻居有耦合.数值模拟结果表明:通过这种局部耦合,在适当小的耦合强度下两耦合螺旋波可实现同步,增大耦合强度会导致螺旋波漫游和漂移,造成螺旋波不同步,观察到螺旋波与静息态、低频平面波和不规则斑图共存现象.在适当强的耦合强度下,还观察到两螺旋波转变成同步的平面波消失现象.对产生这些现象的物理机理做了讨论.     

Influence of Control Parameters on the Competition Between Spiral Waves and Target Waves

In this paper we systematically investigate the influence of control parameters on the competition results between spiral waves and target waves. Driving frequency f, amplitude A and injection area n of the input signals are three important parameters and the competition results between spiral waves and target waves are influenced by these three parameters remarkably. Based on these understandings we can control spiral waves effectively by suitable combination these parameters to generate faster target waves. And the effective controllable parameter regions are also studied.     

无扩散功能的缺陷对螺旋波动力学行为的影响

采用Br 模型,在二维激发介质中引入无扩散功能的缺陷,研究了均匀分布的缺陷对螺旋波动力学行为的影响.研究发现,缺陷导致介质的激发性降低、波传播速度减少,在一定数量的缺陷均匀分布下,缺陷可以使原来稳定的螺旋波发生漫游或破碎,缺陷使原来不稳定的螺旋波稳定或漫游,首次在激发介质中观察到螺旋波因Doppler效应破碎形成小螺旋波和时空混沌共存现象.对产生这些现象的物理机理做了简要的讨论. 关键词： 激发介质 螺旋波 缺陷     

单向耦合神经元网络中螺旋波的自发形成机制

构造一个具有单向耦合的二维神经元网络，引入信息传输熵来描述定向信息传输，采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究网络中螺旋波等有序波自发产生的机制.数值模拟表明：适当选取耦合的强度和单向耦合的距离，网络可自发出现螺旋波、行波、靶波和平面波.各种有序波的产生与网络中出现信息间歇定向传输有关，网络出现单或多螺旋波时发生熵共振现象.噪声、抑制性耦合和排斥性耦合诱发螺旋波时网络中也存在信息间歇定向传输.首次发现自维持长平面波，其存在是由于网络存在持续的强信息定向传输.