二维拉格朗日坐标系下气粒混合双向耦合对激波流场影响的计算

喷射颗粒与气体混合是内爆压缩领域的热点和难点. 针对喷射混合中的气粒双向耦合问题, 开展了理论建模、离散算法以及颗粒反馈对激波流场的影响研究. 建立了拉格朗日计算框架下的数学模型; 给出了耦合源项的离散算法; 开展了平面及汇聚构型条件下, 气粒双向耦合的数值模拟研究; 发现了颗粒反馈导致气体激波提速现象以及气区流场物理量分布形态的改变, 初步获得了量化分析结果. 本文建立的数学模型、计算方法和获得的新的物理认识, 为深入理解喷射混合现象、解决相关工程应用问题提供了重要理论支撑.     

流动/运动松耦合与紧耦合计算方法及稳定性分析

为了更加精确地模拟流动/运动耦合问题, 建立了耦合动态混合网格生成非定常流场计算和六自由度运动方程求解的一体化计算方法, 并在统一框架内同时实现了松耦合与紧耦合方法.通过圆柱涡致自激振荡(vortex induced vibration, VIV)的模拟, 对不同时间精度的松耦合和紧耦合算法的优劣及适用范围进行了评估和分析; 通过引入附加质量的概念, 对耦合算法的稳定性进行了理论分析.研究表明:在流体的密度与物体的密度接近时, 松耦合方法是不稳定的, 必须采用紧耦合方法.最后利用耦合算法对二维鱼体的自主游动和钝锥三自由度自由飞过程进行了数值模拟, 证实了理论分析的结论.      

无尾升力式飞行器Weissman判据图仿真

针对无尾升力式飞行器横航向气动耦合严重的问题,开展了Weissman判据在此类飞行器稳定性设计中的应用研究.采用调整布局的方法获得飞行器布局集,采用基于Newton理论的工程方法获得对应的气动数据集.运用飞行动力学仿真手段分析了飞行器在无控和副翼控制时的横航向飞行稳定性.结合仿真结果和Weissman判据分区规则获得飞行器Weissman判据图.研究表明,无尾升力式飞行器的关键设计点气动稳定性位于Weissman判据图的B区.文章的方法可用于再入机动飞行器的耦合稳定性设计.      

一种适用于复杂换热网络优化的耦合联动进化策略

针对启发式算法在优化换热网络后期由于种群多样性消失等原因造成难以找到使年综合费用进一步下降的进化方向，本文提出换热器耦合联动进化策略.该策略在一般启发式算法优化后期通过按一定概率分布抽取部分换热量不为零的换热器参与联动进化，以找到使费用下降的耦合匹配.算例验证表明，该策略效果明显.将该策略与RWCE算法相结合组成一种混合算法.首先采用RWCE算法对求解域进行初步探索，利用该算法强大的全局搜索能力找到求解域内各个潜力结构.然后再用耦合联动进化策略对各潜力结构进行深入搜索，搜索完成后再经变异反馈给RWCE算法.将该混合算法应用于10SP2和15SP算例，得到了较好的优化结果.     

高速飞行器失控成因及操稳判据发展综述

首先介绍了高速飞行器设计所面临的静稳定裕度、航向操纵性、三通道耦合、安全边界等问题,进一步梳理了高速飞行器的失控成因,包括飞行环境、飞行姿态、控制耦合、惯性耦合、动力学耦合等因素,在此基础上,回顾了一系列适用于飞行器设计的典型抗失控判据,如横航向稳定性参数、动态航向稳定性参数、横/航向操纵偏离参数、Weissman组合判据、横向稳定性特征参数等.这些参数或判据不仅可以在设计初期预测气动布局的好坏及其对操稳特性的影响,帮助工程师改进气动布局以使飞行器获得最佳的性能,还可用来预测飞行器在当前气动布局下所需要的控制资源以帮助飞行器合理应对耦合的影响,最后在设计完成后还可用这些判据分析飞行器飞行过程中的稳定性以及控制策略的合理性.      

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法，推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程，以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度，与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度，使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小，保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性，并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法，数值分析了理想导体Gauss     

有耗介质层上多导体传输线的电磁耦合时域分析方法

目前,针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合,仍缺乏有效的数值分析方法.因此,本文提出一种高效的时域混合算法,很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题.首先,对经典传输线方程进行改进,推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程.然后,结合时域有限差分方法和相应插值技术,求解修正传输线方程,获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应,并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算.最后,通过相应计算实例的数值模拟,与CST软件的仿真结果进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

腔体内传输线耦合的电磁仿真软件与传输线方程的混合算法

研究了一种有限积分法软件与传输线方程相结合的混合算法,用于解决复杂电磁环境下屏蔽腔体内传输线的电磁耦合问题。利用有限积分法软件实现屏蔽腔体的建模,仿真得到腔体内部空间电磁场分布,并设置电场探针提取出传输线的激励场。利用传输线方程建立腔体内传输线的耦合模型,将得到的传输线激励场引入到传输线方程作为等效分布电压和电流源。利用时域有限差分(FDTD)格式对传输线方程进行离散,从而迭代求解出传输线终端负载上的电压和电流响应。通过与文献以及传统数值算法的计算结果进行对比,验证混合算法的正确性。研究表明,该混合算法在模拟电大尺寸腔体内传输线的电磁耦合方面,具有较高的精度和计算效率。     

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法,推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程,以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度,与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度,使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小,保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性,并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法,数值分析了理想导体Gauss 关键词： 复合散射 Kirchhoff近似 共轭梯度法 互耦迭代     

Atomistic hybrid DSMC/NEMD method for nonequilibrium multiscale simulations

A multiscale hybrid method for coupling the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method to the nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) method is introduced. The method addresses Knudsen layer type gas flows within a few mean free paths of an interface or about an object with dimensions of the order of a few mean free paths. It employs the NEMD method to resolve nanoscale phenomena closest to the interface along with coupled DSMC simulation of the remainder of the Knudsen layer. The hybrid DSMC/NEMD method is a particle based algorithm without a buffer zone. It incorporates a new, modified generalized soft sphere (MGSS) molecular collision model to improve the poor computational efficiency of the traditional generalized soft sphere GSS model and to achieve DSMC compatibility with Lennard-Jones NEMD molecular interactions. An equilibrium gas, a Fourier thermal flow, and an oscillatory Couette flow, are simulated to validate the method. The method shows good agreement with Maxwell–Boltzmann theory for the equilibrium system, Chapman–Enskog theory for Fourier flow, and pure DSMC simulations for oscillatory Couette flow. Speedup in CPU time of the hybrid solver is benchmarked against a pure NEMD solver baseline for different system sizes and solver domain partitions. Finally, the hybrid method is applied to investigate interaction of argon gas with solid surface molecules in a parametric study of the influence of wetting effects and solid molecular mass on energy transfer and thermal accommodation coefficients. It is determined that wetting effect strength and solid molecular mass have a significant impact on the energy transfer between gas and solid phases and thermal accommodation coefficient.     

A multiscale coupling method for the modeling of dynamics of solids with application to brittle cracks

We present a multiscale model for numerical simulations of dynamics of crystalline solids. The method combines the continuum nonlinear elasto-dynamics model, which models the stress waves and physical loading conditions, and molecular dynamics model, which provides the nonlinear constitutive relation and resolves the atomic structures near local defects. The coupling of the two models is achieved based on a general framework for multiscale modeling – the heterogeneous multiscale method (HMM). We derive an explicit coupling condition at the atomistic/continuum interface. Application to the dynamics of brittle cracks under various loading conditions is presented as test examples.     

New developments in the multiscale hybrid energy density computational method

Further developments in the hybrid multiscale energy density method are proposed on the basis of our previous papers. The key points are as follows.(i) The theoretical method for the determination of the weight parameter in the energy coupling equation of transition region in multiscale model is given via constructing underdetermined equations.(ii)By applying the developed mathematical method, the weight parameters have been given and used to treat some problems in homogeneous charge density systems, which are directly related with multiscale science.(iii) A theoretical algorithm has also been presented for treating non-homogeneous systems of charge density. The key to the theoretical computational methods is the decomposition of the electrostatic energy in the total energy of density functional theory for probing the spanning characteristic at atomic scale, layer by layer, by which the choice of chemical elements and the defect complex effect can be understood deeply.(iv) The numerical computational program and design have also been presented.     

A damping boundary condition for atomistic-continuum coupling

The minimization of spurious wave reflection is a challenge in multiscale coupling due to the difference of spatial resolution between atomistic and continuum regions. In this study, a new damping condition is presented for eliminating spurious wave reflection at the interface between atomistic and continuum regions. This damping method starts by a coarse–fine decomposition of the atomic velocity based on the bridging scale method. The fine scale velocity of the atoms in the damping region is reduced by applying nonlinear damping coefficients. The effectiveness of this damping method is verified by one-and two-dimensional simulations.     

A hybrid Godunov method for radiation hydrodynamics

From a mathematical perspective, radiation hydrodynamics can be thought of as a system of hyperbolic balance laws with dual multiscale behavior (multiscale behavior associated with the hyperbolic wave speeds as well as multiscale behavior associated with source term relaxation). With this outlook in mind, this paper presents a hybrid Godunov method for one-dimensional radiation hydrodynamics that is uniformly well behaved from the photon free streaming (hyperbolic) limit through the weak equilibrium diffusion (parabolic) limit and to the strong equilibrium diffusion (hyperbolic) limit. Moreover, one finds that the technique preserves certain asymptotic limits. The method incorporates a backward Euler upwinding scheme for the radiation energy density E_r and flux F_r as well as a modified Godunov scheme for the material density ρ, momentum density m, and energy density E.     

Role of local curvature in grain boundary sliding in a deformed polycrystal

The paper considers experimental and theoretical principles of accounting for curvature in multiscale computer simulation of the behavior of interfaces as independent planar subsystems in a loaded polycrystal. Dynamics of matter and energy flows along grain boundaries is studied using a hybrid discrete-continuous method of excitable cellular automata, which combines synergetic principles of discrete switching and laws of continuum mechanics. It is shown that these flows have a rotational-wave nature and depend on the loading conditions of a grain boundary.     

混杂复合材料等效热传导性能预测的小波-机器学习混合方法

混杂复合材料是一种新型复合材料,其复杂的细观结构导致预测其等效热传导性能极富挑战性.本文结合渐近均匀化方法、小波变换方法和机器学习方法发展了一种新的可以有效预测混杂复合材料等效热传导性能的小波-机器学习混合方法.该方法主要包括离线多尺度建模和在线机器学习两部分.首先借助渐近均匀化方法通过离线多尺度建模建立了混杂复合材料的热传导性能材料数据库,然后利用小波变换方法对离线的材料数据库进行预处理,接下来分别运用人工神经网络和支持向量回归方法建立混杂复合材料等效热传导性能预测的在线机器学习模型.最后通过对周期和随机混杂复合材料进行数值实验,验证了小波-机器学习混合方法的有效性,数值实验结果表明小波-神经网络混合方法具有最优的预测效果和抗噪能力.此外,需要强调的是对于具有高维大规模数据特征的随机混杂复合材料,小波-机器学习混合方法不仅可以提取离线材料数据库的重要特征,还可以显著减少在线监督学习的输入数据规模并提高机器学习模型的训练效率及抗噪性能.本文建立的小波-机器学习混合方法不仅适用于混杂复合材料等效热传导性能的预测,还可进一步推广应用于复合材料等效物理、力学性能的预测.     

粗糙微通道内液体流动的多尺度耦合模拟

采用分子动力学与有限容积法多尺度耦合算法对粗糙微通道内的液体Poiseuille流动进行了模拟。分析了粗糙元高度、分布以及几何形状对通道内流动速度和边界滑移长度的影响。结果表明：随着粗糙元高度的增加,流动速度和粗糙元间隙底部壁面上滑移长度均减小;粗糙元分布越密或不同几何形状粗糙元所对应的固壁原子数越多,滑移长度越小,但...     

生物大分子多尺度理论和计算方法

分子模拟是研究生物大分子的重要手段. 过去二十年来, 人们将分子模拟与实验研究相结合, 揭示出生物大分子结构和动力学方面的诸多重要性质. 传统分子模拟主要采用全原子分子模型或各种粗粒化的分子模型. 在实际应用中, 传统分子模拟方法通常存在精度或效率瓶颈, 一定程度上限制了其应用范围. 近年来, 多尺度分子模型越来越受到人们的关注. 多尺度分子模型基于统计力学原理, 将全原子模型和粗粒化模型相耦合, 有望克服传统分子模拟方法中的精度/效率瓶颈, 进而拓展分子模拟在生物大分子研究中的应用范围. 根据模型之间的耦合方式, 近年来发展起来的多尺度分子模拟方法可归纳为如下四种类型: 混合分辨多尺度模型、并行耦合多尺度模型、单向耦合多尺度模型、以及自学习多尺度模型. 本文将对上述四类多尺度模型做简要介绍, 并讨论其主要优缺点、应用范围以及进一步发展方向.