变折射率介质相变过程辐射导热耦合换热RKPM模拟

基于无网格再生核粒子法(RKMP),采用等效热容法处理相变潜热的吸收和释放,通过求解梯度折射率辐射传输方程处理变折射率问题,建立半透明材料相变过程的辐射导热耦合统一的计算方法。计算了一维晶体和非晶体半透明材料凝固过程温度响应特性,考虑了折射率变化对相变过程的影响,通过和文献值对比,验证了RKPM能够模拟含有相变过程的辐射传输问题,且具有良好的精度。     

弹性力学的重构核粒子边界无单元法

将重构核粒子法(RKPM)和边界积分方程方法结合，提出了一种新的边界积分方程无网格方法——重构核粒子边界无单元法(RKP-BEFM).对弹性力学问题，推导了其重构核粒子边界无单元法的公式，研究其数值积分方案，建立了重构核粒子边界无单元法离散化边界积分方程，并推导了重构核粒子边界无单元法的内点位移和应力积分公式.重构核粒子法形成的形函数具有重构核函数的光滑性，且能再现多项式在插值点的精确值，所以本方法具有更高的精度.最后给出了数值算例，验证了本方法的有效性和正确性. 关键词： 重构核粒子法 弹性力学 边界无单元法     

物理质团法:一个普适的数值方法体系

无网格方法根据分布于近邻空间各个方向的微元体物理信息构造离散方程,显著降低了空间导数计算对微元体本身及微元体之间拓扑结构的条件限制,极大提高了拉氏方法的大变形计算能力.由于不能利用微元体的完备几何信息,不容易构造符合物理的无网格算法,对那些物理参数存在间断的模型对象,难以获得稳定和准确的计算结果.本文基于对物理规律及数值模拟发展趋势的分析,提出符合物理且具有强普适性的无网格方法体系.基于该方法的一维算例表明,即使物理参数存在强烈间断,数值结果也能很好地逼近问题的真解.     

基于JASMIN框架的辐射流体与粒子输运耦合计算

基于JASMIN框架的"联邦计算",将两个串行程序辐射流体RH2D与粒子输运Sn2D作为独立"邦元"耦合连接,形成的集成程序RHSn2D可以采用数千处理器并行模拟多物理耦合问题.集成程序RHSn2D中的邦元具有各自独立的网格划分与并行算法,同时借助框架技术,可以屏蔽邦元间的并行数据传递.算例表明,对于应用问题规模(90 720个网格单元,辐射流体100个Patch,粒子输运2 835个Patch,Sn方向48,16群),集成程序RHSn2D采用1 024个处理器可以达到36%的并行效率.     

半透明随形粒子形貌对近场辐射的影响研究

本文以半透明粒子材料作为研究对象,通过变换粒子表面粗糙度建立了随形粒子近场辐射的传输模型,并引入时域有限差分偶极子法模拟粒子的辐射涨落电流和辐射传热,通过与圆球形粒子的解析解进行对比验证了本方法的正确性,并分析了不同随形粒子间的近场辐射特性.研究结果显示,在谱带1～10 μm范围内,随着粒子表面粗糙度的增大,粒子间辐射...     

辐射扩散计算方法若干研究进展

辐射流体力学研究辐射的传输对流体运动的影响,并在此条件下研究流体的运动规律.实际应用问题中辐射流体力学所描述的是非常复杂的物理过程,数值模拟是主要的研究手段之一.模拟通常采用流体计算和辐射计算分裂求解的方法.讨论求解辐射扩散方程时迫切需要解决的一些计算方法问题,包括大变形网格上扩散计算格式与非线性迭代方法,并简要介绍部分研究进展.     

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.     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式算法

移动粒子半隐式方法(MPS)是一种粒子方法,多用于模拟带有自由表面的不可压缩流动。工程实际中的自由表面流动往往是复杂的湍流流动,本文借鉴网格类方法的亚格子应力模型发展了基于Smagorinsky模型的亚粒子应力模型,并将其耦合到MPS方法中,实现了基于大涡模拟的MPS方法并用于研究自由表面湍流问题。为了提高计算的准确性和稳定性,SPS模型中出现的一阶导数项采用最小二乘法拟合得到,SPS项采用显式算法进行计算。使用这一算法模拟了溃坝问题,结果表明,采用亚粒子应力模型的模拟结果与实验的吻合程度明显提高。     

基于MPS法的圆截面液体射流数值模拟

传统网格方法在模拟液体射流流动中的断裂和破碎等液体大变形过程时存在困难,本文引入无网格移动粒子半隐式方法,对圆截面液体射流的复杂非定常流动过程进行数值模拟.基于进口速度边界条件建立了连续进口流动模型,对三类典型的射流流动,即壁面射流、竖直向上自由射流和自由射流碰撞等进行了建模和数值模拟,并对特征流动现象进行定性分析,验证了移动粒子半隐式法对上述射流流动数值计算的正确性,为相关研究提供了一种新的数值方法.     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

反演非球形粒子光学常数的理论建模

本文基于完整的辐射传输方程,结合T矩阵法和K-K关系式,建立反演非球形粒子光学常数(复折射率)的理论模型.首先以椭球粒子为例,分析了非球形粒子光学常数反演模型的适用范围,重点分析了不同尺度参数下椭球粒子的单值性和多值性问题;然后以非球形煤灰粒子为例,采用MC法进行正问题计算,所得的光谱透射率作为"实验测量值",采用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建立的反演模型的可行性,同时分析了测量误差对实验结果的影响.     

高温热辐射输运模拟的蒙特卡罗全局降方差方法

针对隐式蒙特卡罗方法模拟高温热辐射输运问题时存在的“辐射强度计算误差时间空间分布严重不均匀”现象,通过理论分析和数值模拟手段,找到决定误差大小的主要因素为“网格内的辐射径迹长度记录数”.据此提出“隐式蒙特卡罗全局降方差方法”并推导相应的计算公式.该方法主要包含如下3个关键技术:1)针对辐射输运蒙特卡罗模拟的自适应动态分配源粒子方法; 2)与自适应动态分配源粒子相匹配的动态权窗设计技术及粒子权无偏估计算法; 3)辐射强度的解析估计降方差方法.针对这3个关键技术,设计蒙特卡罗数值模拟方案,编写相应的数值模拟程序模块.典型辐射输运问题模拟结果显示:隐式蒙特卡罗全局降方差方法能够使网格辐射强度计算误差在整个时空范围内分布相对比较均匀,最大误差可控,计算效率提升10倍左右.新方法在激光惯性约束聚变的黑腔辐射输运模拟应用中取得了显著效果.     

求解辐射传递的非结构混合有限体积／有限元法

本文给了一种适用于任意非结构网格的有限体积/有限元法的混合算法用于求解多维半透明吸收、发射、散射性灰矩形介质内的辐射传递.该方法使用有限元法进行角度离散,有限体积法进行空间离散.与基于辐射传递离散坐标方程的方法不同的是,该方法在迭代求解的过程中,针对每一个空间体元,所有角度方向的辐射强度同时耦合求出.通过两个算例验证了该解法的正确性.     

非球形气溶胶粒子散射相函数经验公式

散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数，直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。基于电磁散射与辐射传输中的基本理论，对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值，提高辐射传输方程的简化程度和解的精度，提出了一种新的相函数经验公式。分析新的相函数对非球形粒子的适用性，以单个沙尘性气溶胶为例，计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化，并与T矩阵法的计算结果进行了对比，发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时，新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。考虑波长变化，对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。研究表明，对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子，在大角度(大于90°)后向散射部分，除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶，新的相函数均方根差较小的占100%，证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。     

结构各向异性对传输平均自由程的影响研究

本文研究了由定向排布的椭球形粒子组成的无序介质中微纳结构的各向异性对辐射传输平均自由程的影响机理。采用离散偶极子算法(DDA)计算单个椭球形粒子的各向异性辐射特性,为了得到多重散射下的各向异性介质的辐射特性,采用随机行走方法研究了传输平均自由程随粒子浓度、长径比、分布角度的变化关系,并与各向同性理论的计算结果进行了对比,证明了现有理论的不足。最后,利用辐射传递方程的扩散理论得到了椭球形粒子各向异性介质的表面反射能量分布图。结果表明,微纳结构的各向异性对辐射传输平均自由程和表面辐射能量分布有较大影响,对于各向异性较强的介质,在理论计算中必须加以考虑。     

关于无网格方法中撒点算法

在计算科学和逼近理论的许多领域，无网格法是近期研究的一个重要课题。国际上已提出了十余种无网格方法。无网格方法首先需要布置合理的粒子点，才能建立格式模拟实际问题。     

反演高温均-粒子系光学常数理论建模

本文提出等效透射能量比的概念,在此基础上建立反演高温均-粒子系光学常数(复折射率)的理论模型,该模型基于完整的辐射传递方程,采用Mie理论结合K-K关系式反演高温粒子的复折射率.以燃烧火焰中常见的煤灰粒子为例,通过将已知文献中煤灰粒子复折射率数据作为"真实"数据,采用MC方法进行正问题计算所得的等效透射比作为"实验测量僧",然后利用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建反演模型的可行性,同时分析了 测量误差对实验结果的影响,对于反演高温粒子复折射率的实验研究具有一定的理论指导意义.