双层耦合介质中四边形图灵斑图的数值研究

采用双层线性耦合Lengyel-Epstein模型,在二维空间对简单正四边和超点阵四边形进行了数值分析.结果表明:当两子系统波数比N1时,随耦合强度的增大,基模的波矢空间共振形式发生改变,系统由简单六边形自发演化为结构复杂的新型斑图,除已报道的超六边形外,还获得了简单正四边和多种超点阵四边形,包括大小点、点线、白眼和环状超四边等斑图.当耦合系数α和β在一定范围内同步增大时,两子系统形成相同波长的Ⅰ型简单正四边;当α和β不同步增大时,由于两图灵模在短波子系统形成共振,系统斑图经相变发生Ⅰ型正四边→Ⅱ型正四边→超点阵四边形的转变;当系统失去耦合作用时,短波子系统波长为λ的Ⅰ型正四边斑图迅速失稳并形成波长为λ/N的Ⅰ型正四边,随模拟时间的延长,两子系统中不同波长的正四边均会经相变发生Ⅰ型正四边→Ⅱ型正四边→六边形的转变.     

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     

非均匀可激发介质中的稀密螺旋波

在非均匀可激发介质中,采用Barkley模型数值模拟了稀螺旋波和密螺旋波, 并对二者的动力学行为随参数的变化进行了研究. 结果发现:稀螺旋波的旋转频率随参数b的增加迅速减小,之后趋于饱和, 显示出不同于密螺旋波的行为;两种螺旋波的周期和波长随参数ε 和非均匀区域尺寸R的增加而增加,相对稀螺旋波而言,密螺旋波的性质对R的依赖更为敏感; 稀螺旋波端点的波速随R的增加而减小,与密螺旋波波速变化趋势相反. 另外,由于非均匀区域的影响,当ε 或b 超过某一临界值时,螺旋波臂上出现缺陷点.     

Numerical simulation and analysis of complex patterns in a two-layer coupled reaction diffusion system

The resonance interaction between two modes is investigated using a two-layer coupled Brusselator model. When two different wavelength modes satisfy resonance conditions, new modes will appear, and a variety of superlattice patterns can be obtained in a short wavelength mode subsystem. We find that even though the wavenumbers of two Turing modes are fixed, the parameter changes have influences on wave intensity and pattern selection. When a hexagon pattern occurs in the short wavelength mode layer and a stripe pattern appears in the long wavelength mode layer, the Hopf instability may happen in a nonlinearly coupled model, and twinkling-eye hexagon and travelling hexagon patterns will be obtained. The symmetries of patterns resulting from the coupled modes may be different from those of their parents, such as the cluster hexagon pattern and square pattern. With the increase of perturbation and coupling intensity, the nonlinear system will convert between a static pattern and a dynamic pattern when the Turing instability and Hopf instability happen in the nonlinear system. Besides the wavenumber ratio and intensity ratio of the two different wavelength Turing modes, perturbation and coupling intensity play an important role in the pattern formation and selection. According to the simulation results, we find that two modes with different symmetries can also be in the spatial resonance under certain conditions, and complex patterns appear in the two-layer coupled reaction diffusion systems.     

六边形格子态斑图的数值模拟

采用双层耦合的Lengel-Epstein模型, 通过改变两子系统图灵模的强度比, 获得了四种的六边形格子态和多种非格子态结构. 模拟结果表明: 反应扩散系统的格子态结构由三套子结构叠加而成, 是两图灵模的波数比和强度比共同作用的结果, 两模的强度比决定了三波共振的具体模式; 另外, 系统选择格子态斑图所需的两图灵模的强度比大于非格子态斑图的强度比; 逐步增加两图灵模强度比, 出现的斑图趋于从复杂到简单变化. 深入研究发现: 不同互质数对(a, b)对应的格子态斑图的稳定性不同, 其中(3, 2)对应的格子态结构最为稳定.     

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.     

用自洽平均值法计算非线性谐振子本征值

提出了一种自洽平均值法计算非线性谐振子本征值的方法.研究结果表明,等效势能曲线、坐标算符的一次项和二次项的平均值及能量本征值均在主量子数n较小时与微扰量子理论相吻合,在n=0时两者完全一致.     

双层非线性耦合反应扩散系统中复杂Turing斑图

采用双层耦合的Brusselator模型, 研究了两个子系统非线性耦合时Turing 模对斑图的影响, 发现两子系统Turing 模的波数比和耦合系数的大小对斑图的形成起着重要作用. 模拟结果表明: 斑图类型随波数比值的增加, 从简单斑图发展到复杂斑图; 非线性耦合项系数在0–0.1时, 系统1中短波模在系统2失稳模的影响下不仅可形成简单六边形、四边形和条纹斑图, 两模共振耦合还可以形成蜂窝六边形、超六边形和复杂的黑眼斑图等超点阵图形, 首次在一定范围内调整控制参量观察到由简单正四边形向超六边形斑图的转化过程; 耦合系数在0.1–1时, 系统1中短波模与系统2失稳模未发生共振耦合仅观察到与系统2相同形状的简单六边形、四边形和条纹斑图. 关键词： Brusselator模型 非线性耦合 Turing模     

双层耦合Lengel-Epstein模型中的超点阵斑图

用双层耦合的Lengel-Epstein模型, 研究了两个子系统的图灵模对斑图的影响,发现其波数比在斑图的形成和选择过程中起着重要作用.当波数比为1时,双层系统未能发生耦合,只能出现条纹和六边形斑图;当波数比处于1-√17 的范围时,两子系统发生耦合,图灵模之间发生共振相互作用,得到种类丰富的超点阵斑图,包括暗点、点-棒和复杂超六边、Ⅰ-型和Ⅱ-型白眼、类蜂窝和环状超六边等斑图;当波数比大于√17 , 系统选择的斑图类型不再变化,均为环状超六边斑图.数值模拟得到的条纹、六边形、超六边点阵、Ⅱ-型白眼斑图和类蜂窝斑图均已在介质阻挡放电系统实验中观察到. 另外,还得到了超点阵斑图的波数随两个扩散系数乘积D_uD_v的变化曲线,发现其随的D_uD_v增大而减小. 关键词： 耦合系统 超点阵 波数比 数值模拟