基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

基于MeshTV界面重构算法的二元合金自由枝晶生长元胞自动机模型

本文基于MeshTV界面重构算法, 发展了二元合金凝固自由枝晶生长的元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型. 通过采用MeshTV界面重构算法, 在细化的界面元胞内重构出了固液界面的位置. 在此基础上, 发展了一种同时适合描述纯物质与合金凝固界面生长的动力学模型. 与非界面重构的CA模型相比, 本文所发展的模型可以在较大的网格尺寸下实现模型的收敛, 同时网格各向异性不明显, 且能够反映界面能各向异性参数ε 对自由枝晶生长的影响. 在ε =0.02时, 通过与描述自由枝晶生长的LGK理论模型相比较, 发现计算的枝晶尖端速度与LGK理论模型的预测符合较好, 而计算的枝晶尖端半径比LGK理论预测值大于约20%.     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

用元胞自动机方法模拟镁合金薄带双辊铸轧过程凝固组织

用元胞自动机方法模拟铸轧凝固组织,采用有限元方法模拟铸轧过程中熔池内部的宏观传输现象,将二者耦合模拟了镁合金铸轧薄带凝固过程中晶粒的形核与长大过程.阐明了薄带铸轧工艺过程中的主要工艺参数（浇注温度、铸轧速度等）对镁合金薄带凝固组织中晶粒大小、取向等的影响规律.这为通过工艺优化来控制铸轧薄带的凝固组织提供了理论依据. 关键词： 双辊铸轧 镁合金 凝固组织 元胞自动机     

元胞自动机和复杂性研究

元胞自动机是建立复杂系统的离散模型，深入了解其动力学相互作用与时空演化过程的实验数学方法，它开创了基础科学研究与复杂性探索的新途径，是一类获得迅速发展的新的并行计算机，又是计算机、信息和智能应用高科技的热点之一。     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

三维空间行人疏散的元胞自动机模型

为了有效刻画行人在三维空间中的疏散状况,结合阶梯因素提出了一种新的三维元胞自动机模型,该模型首先基于位置吸引力和碰撞可能性给出了行人移动概率的计算公式,并通过定义元胞演化过程阐述其疏散策略,同时,利用建立的仿真平台进行实验,深入分析了疏散时间、出口流率、出口宽度、初始行人密度以及系统平均速度之间的关系,以此获得更加符合实际情况的行人流特征,结果表明,疏散时间、出口流率与初始行人密度呈现正相关,而与出口宽度呈现负相关,并且系统平均速度和出口宽度对于最优疏散时间存在一个理想阈值。     

多路段元胞自动机交通流模型

在经典单路段元胞自动机交通流模型的基础上,将多个路段视为一个道路系统,提出并研究了多路段条件下的交通流问题.针对多路段道路的特点,通过引入车辆流入规则、路口随机慢化规则和路口车辆流入规则,控制车辆从上一路段流入下一路段.首先提出了"汽车池"的概念,来控制每一路口车辆的流入;然后通过路口随机慢化,来模拟路口对交通的影响;最后,当车辆离开时,依直行率进入下一路段,实现车流的继续流动.同时,通过数值模拟,仿真了不同条件下的交通情况,对重要参数进行了研究.结果表明,出现了混合流这一新的现象,拥堵地段与非拥堵地段间存在明显的界限.拥堵往往最先从路口开始,然后蔓延到整个路段.多路段道路还存在临界突变的特性.随着车辆流入概率的增大,路口对平均速度和车流密度的影响愈加明显.当流入概率超过一定阈值时,车辆缓慢地增加也会引起整体道路通行能力的迅速下降.     

一种计算机网络的元胞自动机模型及分析

通过分析一种计算机网络元胞自动机模型,对网络内部结点的整体行为进行了探讨.研究表明,在负载守恒的传输过程中,各网络结点的吞吐量和缓存区的排队长度在空间和时间上均呈现幂率分布,承受系统中局部负载的结点数变化的功率谱呈现1/f噪声的特点,网络结点的整体行为表现出自组织临界现象.排队长度的分布呈现幂率,预示着较大的拥塞以较小的概率发生.吞吐量在时间上的分布呈现幂率,或许为业务量呈现自相似性提供一种合理的解释. 关键词：     

考虑意外事件对交通流影响的元胞自动机交通流模型

在NaSh模型的基础上,考虑交通事故和养护路段等意外事件对高速公路交通流的影响,建立了有意外事件影响的在车道管制下的高速公路交通流元胞自动机模型,并进行数值模拟. 研究发现:意外事件对高速公路交通流有明显影响,并且意外事件对交通流的影响在某一密度值范围内尤其明显,且意外事件堵塞点在第一车道比在第二车道对交通流的影响小;同时,在该密度值范围内,意外事件堵塞时间和堵塞路段长度越长,对交通流的影响就越大. 关键词： 元胞自动机 交通流 意外事件     

A cellular automaton model for the solidification of a pure substance

An improved cellular automaton model for describing the evolution of solidification morphology of a pure substance is presented. The mesh-induced anisotropy was investigated for the traditional capture rules such as Von Neumann’s and Moore’s capture rules. A random zigzag capture rule was developed, which can greatly reduce the mesh-induced anisotropy. The method for the calculation of solid/liquid (SL) interface curvature was also improved by using a bilinear interpolation method, which increased the accuracy of the calculation of the SL interface curvature. Based on these improvements, the effect of interfacial energy anisotropy on the dendritic growth behavior was analyzed.     

Numerical simulation of dendrite growth and microsegregation formation of binary alloys during solidification process

The dendrite growth and solute microsegregation of Fe-C binary alloy are simulated during solidification process by using cellular automaton method. In the model the solid fraction is deduced from the relationship among the temperature, solute concentration and curvature of the solid/liquid interface unit, which can be expressed as a quadric equation, instead of assuming the interface position and calculating the solid fraction from the interface velocity. Then by using this model a dendrite with 0 and 45 degree of preferential growth direction are simulated respectively. Furthermore, a solidification microstructure and solute microsegregation are simulated by this method. Finally, different Gibbs-Thomson coefficient and liquid solute diffusing coefficient are adopted to investigate their influences on the morphology of dendrite.     

基于心脏腔式结构的心电图元胞自动机建模

建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型.利用所建立的模型,仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势.数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成,QT间期缩短.将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制.研究结果可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考.     

一个新的用于元胞自动机模拟微观组织的溶质分配模型及其计算验证

在已有的几种溶质再分配计算模型的基础上, 建立了一个新的更为合理的溶质再分配模型.该模型充分考虑了枝晶生长过程中可能出现的固/液界面元胞的各种状态及其邻居元胞的各种状态, 根据这两者的不同状态, 分别建立不同的计算公式展开计算. 利用所建立的模型消除了原有的扩散控制的元胞自动机(CA)生长模型存在的在晶界处元胞不凝固的缺陷. 接着, 为了进一步验证模型的可靠性, 在Kurz-Giovanola-Trivedi方法控制的CA生长模型中引入新的溶质再分配计算模型, 对Al-4.7 wt%Cu 合金铸锭进行了模拟计算, 并与实验结果进行了金相组织和成分分布两方面的对比, 表明新模型具有较好的精确性. 关键词： 元胞自动机方法 微观组织模拟 溶质再分配     

高速公路入匝控制的一个元胞自动机模型

采用元胞自动机模型研究高速公路入匝控制问题. 利用主路上测定区域内的车辆数设计了一种新型入匝信号控制方法,模拟分析了各种参数对主路和匝道交通的影响. 结果表明,设置匝道信号灯可以保证主路交通畅通,尤其是匝道处的车辆到达率比较高时效果非常明显. 测定区域位置、抑制入匝车流量以及并道区长度的不同组合可以导致不同的主路和匝道交通流,合理搭配这三个参数可以兼顾主路和匝道的流量和通行时间.测定区域应该设置在并道段前或并道段上游的适当位置. 关键词： 交通流 元胞自动机 入匝控制 并道规则     

A modified weighted probabilistic cellular automaton traffic flow model

This paper modifies the weighted probabilistic cellular automaton model (Li X L, Kuang H, Song T, et al 2008 Chin. Phys. B 17 2366) which considered a diversity of traffic behaviors under real traffic situations induced by various driving characters and habits. In the new model, the effects of the velocity at the last time step and drivers' desire for acceleration are taken into account. The fundamental diagram, spatial-temporal diagram, and the time series of one-minute data are analyzed. The results show that this model reproduces synchronized flow. Finally, it simulates the on-ramp system with the proposed model. Some characteristics including the phase diagram are studied.     

Nonvanishing optimal noise in cellular automaton model of self-propelled particles

A minimal cellular automaton model is introduced to describe the collective motion of self-propelled particles on two-dimensional square lattice. The model features discretization of directional and positional spaces and single-particle occupation on one lattice site. Contrary to the Vicsek model and its variants, our model exhibits the nonvanishing optimal noise. When the particle density increases, the collective motion is promoted with optimal noise strength and reduced with noise strength out of optimal region. In addition, when the square lattice undergoes edge percolation process, no abrupt change of alignment behaviors is observed at the critical point of percolation.     

Colloidal monolayer self-assembly and its simulation via cellular automaton model

A wafer-scale colloidal monolayer consisting of SiO2 spheres is fabricated by a method combining spin coating and thermal treatment for the first time. Moreover, a new cellular automaton model describing the self-assembly process of the colloidal monolayer is introduced. Rather than simulate molecular self-assembly to establish the most energetically favored position, we reconstruct the self-assembly of the colloidal monolayer by adjusting several simple transition rules of a cellular automaton. This model captures the main self-assembly characteristics of SiO2 spheres, including experimental processing time, morphology, and some statistics. It possesses the advantage of less calculation and higher efficiency,paving a new way to simulate a mesoscopic system.