浅水波方程的黏性正则化PINN算法

针对经典PINN(Physics-informed Neural Networks)在求解浅水波方程间断问题时的不足，提出一种黏性耗散机制的正则化PINN算法。该算法利用黏性正则化的浅水波方程作为网络构建中的物理约束，并在损失函数中作为惩罚项，训练网络用正则化方程的光滑解逼近原方程的间断解，采用网格加密熵稳定格式的数值解作为参考，学习得原方程在整个区域的解。对满足不同初始条件的一维、二维浅水问题进行数值模拟，并与经典PINN算法进行比较，数值结果表明新算法泛化能力强，可预测任意时刻的解，分辨率高，不会出现抹平和伪振荡现象。     

用改进的传输线算法计算水平层状横向同性地层中海洋可控源电磁响应

利用二维Fourier变换与电磁场分解技术将层状横向同性地层中Maxwell方程转化成两个独立的关于横磁(TM)波和横电(TE)波的传输线方程; 借助传输线理论与叠加原理, 仅利用电流源传输线Green函数得到TM波和TE波的解, 改进传输线算法, 建立横向同性地层中频率-波数域电流源电场和磁场并矢Green函数的新算法与新的解析表达式, 提高海洋可控源电磁响应数值模拟效率. 在此基础上, 利用传输线Green函数的基本解以及边界条件, 推导出广义反射系数与振幅递推公式, 得到各个地层中传输线Green函数的解析解; 然后利用Fourier逆变换与Bessel公式将海洋可控源电磁响应表示为Sommerfeld形式的积分, 借助三次样条插值与Lommel积分公式快速计算其数值解. 通过数值模拟结果考察工作频率以及地层各向异性电阻率变化等对海洋电磁响应的影响. 关键词： 传输线法 横向同性地层 海洋可控源电磁 Sommerfeld积分     

一种适用于磁流体力学切向间断的HLLC黎曼算子

磁场的存在使得磁流体力学特征波模不同于流体力学, 因此直接由流体力学HLLC黎曼算子导出的HLLC双中间态在交界的间断面会出现不守恒的问题。通常降级采用HLL单磁场中间态代替HLLC双磁场中间态以实现守恒和计算稳定, 代价是切向间断的模拟精度不足。本文对此进行改进, 在模拟切向间断时仍然保留原有的HLLC双磁场中间态, 同时各守恒量仍然能够满足Toro相容条件; 改进型HLLC算子在间断两侧的磁场分量存在差异, 因此能够更精确还原切向间断面。基于数值测试, 包括一维激波管和切向间断的时变模拟, 以及地球磁层三维数值模拟, 将模拟结果进行对比, 结果表明: 相比于已发展的HLLC算子, 改进型HLLC算子对切向间断具有更好的捕捉精度, 能够达到或接近耗时更多的HLLD算子的模拟精度。     

采用能量守恒和高阶Padé近似的三维水声抛物方程模型

为了充分考虑海底地形随三维空间变化的海洋环境中水平方位角耦合效应对声传播的影响,建立了一种三维柱坐标系下流体高阶抛物方程算法。该算法采用泰勒近似将二维方根算子分裂成一维方根算子,并采用分裂步进的高阶Pade近似将一维方根算子写成微分算子有理分式连乘的形式,进而应用Galerkin离散化方法来处理微分算子,最终将微分方程写成矩阵方程的形式;采用能量守恒近似来处理海底边界,以考虑复杂海底对于声传播的影响;采用交替方向隐式格式,实现了三维声场的步进计算。楔形和海底山等典型海域声场仿真计算表明,相比于已有的声场计算模型,三维柱坐标系下高阶抛物方程模型可以更加精确地计算楔形海域和海底山区域的三维声场,实现水平方位全空间声场计算。     

相关场的投影理论

本文应用Radon变换导出了二维相关场的一维投影积分方程.并通过构造积分方程的投影算子实现了二维相关场向一维相关场的变换.并对—维投影相关特性进行了理论分析.     

一维晶化束的非线性动力学(Ⅰ)

本文导出了一维库仑链的相干振动方程——Duffing方程,并对一些简单模式进行了讨论。用多重尺度法分析了系统的近似解,用经典方法讨论了它的稳定性。导出了系统的临界磁场公差和某些热力学量,为重离子储存环和冷却器的设计提供了理论依据。 关键词：     

一维双曲守恒律的龙格-库塔控制体积间断有限元方法

给出数值求解一维双曲守恒律方程的新方法——龙格-库塔控制体积间断有限元方法(RKCVDFEM),其中空间离散基于控制体积有限元方法,时间离散基于二阶TVB Runge-Kutta技术,有限元空间选取为分段线性函数空间.理论分析表明,格式具有总变差有界(TVB)的性质,而且空间和时间离散形式上具有二阶精度.数值算例表明,数值解收敛到熵解并且对光滑解的收敛阶是最优的,优于龙格-库塔间断Galerkin方法(RKDGM)的计算结果.     

二维保单调保守恒插值算子

基于一个一维保单调保守恒插值算子,利用不完全双二次插值提出一个二维保单调保守恒插值算子.从插值逼近角度,通过几个数值实验验证该插值算子有效.用得到的二维插值算子作为结构网格自适应加密(structured adaptive mesh refinement,SAMR)算法中的细化插值算子,求解几个二维Euler方程数值例子,结果表明,提出的二维插值算子有效.     

反向场位形下的引导中心哈密顿函数

本文给出了反向场位形中场反向处引导中心哈密顿函数。在零级磁场线性近似下给出粒子运动及引导中心位置的精确解,分析了解的特性。小磁场注向分量对引导中心哈密顿函数的贡献由李变换方法求取。最后讨论了该哈密顿函数的性质并和数值结果作了比较。该理论可以用来研究带电粒子在行星际空间电流片、磁尾中性片以及实验室中反向场箍缩中的运动特性。     

基于改进遗传算法的移动机器人路径规划

针对传统遗传算法存在的搜索效率低、易于陷入局部最优解的问题,提出了一种改进的遗传算法。采用简单的一维编码替代复杂的二维编码,节约了存储空间。在遗传算子的设计中,重新定义了交叉算子和变异算子,避免了陷入局部最优。最后将最短路径和免碰撞相结合作为适应度函数进行遗传优化。实验结果表明,改进的算法能够快速、有效的规划出最优路径。     

以Maxwell-Boltzmann分布函数为基础的流矢量分裂方法

将以微观气体分子运动论为基础的流矢量分裂法和二时间步的算法相结合,用于计算无粘理想气体流动.方程中的流矢量按局部平衡的Maxwell-Boltzmann分布函数分解.3个一维的算例给出了激波、接触间断和稀疏波的计算结果,并与精确解做了对比.     

一维、二维、三维氢原子能级和电子分布概率

通过一维、二维氢原子定态薛定谔方程的严格解得出的能级公式和波函数，分析了一维、二维氢原子能级特点、简并度和电子分布概率，并将它们与三维氢原子进行比较，发现一维、二维、三维氢原子能级和电子分布概率有许多不同之处。     

求解粘性Hamilton-Jacobi方程的高阶方法

提出了求解具有粘性项的Hamilton-Jacobi方程的二阶、四阶方法.该方法以加权基本无振荡(WENO)格式为基础,通过修正数值通量函数和构造右端粘性项的基于非线性限制器的二阶近似、基于Taylor展开的四阶近似,成功地求解了一维、二维的粘性Hamilton-Jacobi方程.给出的算例说明了本方法具有高分辨率、鲁棒性和无振荡特性.     

基于局部加密纯无网格法非线性Cahn-Hilliard方程的模拟

为数值求解描述不同物质间相位分离现象的高阶非线性Cahn-Hilliard(C-H)方程,发展了一种基于局部加密纯无网格有限点集法(local refinement finite pointset method,LR-FPM).其构造过程为:1)将C-H方程中四阶导数降阶为两个二阶导数,连续应用基于Taylor展开和加权最小二乘法的FPM离散空间导数;2)对区域进行局部加密和采用五次样条核函数以提高数值精度;3)局部线性方程组求解中准确施加含高阶导数Neumann边值条件.随后,运用LR-FPM求解有解析解的一维/二维C-H方程,分析粒子均匀分布/非均匀分布以及局部粒子加密情况的误差和收敛阶,展示了LR-FPM较网格类算法在非均匀布点情况下的优点.最后,采用LR-FPM对无解析解的一维/二维C-H方程进行了数值预测,并与有限差分结果相比较.数值结果表明,LR-FPM方法具有较高的数值精度和收敛阶,比有限差分法更易数值实现,能够准确展现不同类型材料间相位分离非线性扩散现象随时间的演化过程.     

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利用函数及其高阶导数值构造五次插值函数近似网格单元内的真实解,改进数值求解双曲类偏微分方程的CIP数值算法。基于之前的一维高阶CIP数值算法思想,不同于利用时间分裂技术,发展了二维高阶CIP数值算法。改进后的算法具有五阶数值精度和显示格式的优点。     

单胶子交换梯形近似下Bethe-Salpeter方程赝标解

将在动量空间具有积分形式的单胶子交换梯形近似下Bethe-Salpeter方程化为微分方程,求出该方程在四动量为零时的赝标解全部分量,其中第一分量为已知的Goldstein解.     

重心Lagrange插值配点法求解二维双曲电报方程

提出一种求解二维双曲电报方程的高精度重心Lagrange插值配点法.采用重心Lagrange插值构造包含时间和空间变量的近似函数.在给定Chebyshev-Gauss-Lobatto节点上,将多变量重心Lagrange插值近似函数代入双曲电报方程及其定解条件,得到离散代数方程组.包含狄里克雷和诺依曼边界条件的数值算例表明,本文方法程序实现方便并具有高精度,可应用于求解高维问题.     

间断有限元法求解一维矢量辐射传输

采用间断有限元法(Discontinuous finite element method,DFEM)求解一维散射性介质内矢量辐射传输问题。推导了散射性介质内矢量辐射传输方程的间断有限元离散格式,空间离散采用间断有限元离散将求解域划分为相互独立的单元,角度离散在传统的均匀分段光滑近似(Piecewise Constant Approximation,PCA)角度离散基础上进行局部加密以得到关键方向上的数值解。采用两个稳态矢量辐射传输算例对间断有限元法求解矢量辐射传输方程的正确性和计算效率进行了验证,在此基础上拓展间断有限元法应用于求解散射性介质内瞬态矢量辐射传输方程,将随着时间推移过程中的瞬态辐射信息和最终的稳态结果相比较验证了本文方法的正确性。     

(1+1)维广义的浅水波方程的变量分离解和孤子激发模式

研究(1+1)维广义的浅水波方程的变量分离解和孤子激发模式. 该方程包括两种完全可积(IST可积)的特殊情况，分别为AKNS方程和Hirota-Satsuma方程. 首先把基于Bcklund变换的变量分离(BT-VS)方法推广到该方程，得到了含有低维任意函数的变量分离解. 对于可积的情况，含有一个空间任意函数和一个时间任意函数，而对于不可积的情况，仅含有一个时间任意函数，其空间函数需要满足附加条件. 另外，对于得到的(1+1)维普适公式，选取合适的函数，构造了丰富的孤子激发模式，包括单孤子，正-反孤子，孤子膨胀，类呼吸子，类瞬子等等. 最后，对BT-VS方法作一些讨论. 关键词： 浅水波方程 Bcklund变换 变量分离 孤子     

基于黎曼解的移动最小二乘粒子动力学数值方法

叙述移动最小二乘粒子动力学(MLSPH)的基本原理,讨论一维MLSPH计算方法,提出两种不同精度的基于无网格的构造黎曼问题初值的方法.通过黎曼解近似粒子间的相互作用,减小接触间断附近的震荡,并给出多介质一维激波管问题的算例,验证此方法的有效性.