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     

通过被动介质耦合的两螺旋波的同步

采用Br模型研究了通过被动介质耦合的两二维可激发系统中螺旋波的同步,被动介质由可激发元素组成,这些元素之间不存在耦合.数值模拟结果表明,被动介质对螺旋波的同步有很大影响,当两系统中的初态螺旋波相同时,被动介质可导致稳定螺旋波发生漫游,螺旋波转变为螺旋波对或反靶波;当两系统中的初态螺旋波不同步时,在适当的参数下,两螺旋波可以实现同步、相同步,此外还观察到两螺旋波波头相互排斥、多螺旋波共存、同步的时空周期斑图、系统演化到静息态等现象.在被动介质中,一般可观察到波斑图,但是在某些情况下,被动介质会出现同步振荡现象.这些结果有助于人们理解心脏系统中出现的时空斑图.     

间接延迟耦合可激发介质中螺旋波的演化

采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论. 关键词： 螺旋波 被动介质 时间延迟耦合 同步     

局部激励法产生靶波来消除螺旋波

提出采用局部激励方法产生靶波来消除抑制激发介质中的漂移(和稳定的)螺旋波．通过在系统中任意选择一个格点进行采样，将采样格点信号反馈到系统局部区域可产生一个稳定的靶波．数值计算表明：该方法可以消除均匀和非均匀介质(扩散系数随时间或空间变化)中的螺旋波(稳定旋转的螺旋波和漂移的螺旋波)，并且对于时空噪声具有一定的抗干扰性．     

激发介质中螺旋波失稳的微观机理研究

采用晶格Boltzmann方法研究了激发介质中螺旋波的失稳,计算机数值模拟给出了激发介质中螺旋波失稳前后的速度场分布,并结合斑图和波头轨迹进行讨论发现,稳定螺旋波的速度场分布表现为螺旋波旋转中心处的速度做周期突变;在螺旋波开始失稳时,速度场分布表现为该位置粒子速度突变加快最后变得无规律,使速度集团分解无规律,导致速度场分布越来越混乱,并最终使系统进入时空混沌态. 关键词： 晶格Boltzmann方法 激发介质 螺旋波 时空混沌     

通过放慢钠通道开闭控制心脏中的螺旋波和时空混沌

现代生物技术已经能够通过让钠离子通道的基因突变来改变其弛豫时间常数.本文采用Luo-Rudy相I模型研究了如何调控钠通道门的弛豫时间常数来控制心脏中的螺旋波和时空混沌.我们提出这样的控制策略:通过让钠电流触发门的弛豫时间常数增大ρ倍,同时让其快失活门始终不关闭,来降低钠电流激活和失活的速率.数值模拟结果表明:逐渐增加ρ将导致钠电流的触发门变量更慢,达到最大值,并且其振幅也逐渐减少,从而使心肌细胞动作电位的幅度和持续时间都逐渐减少.在ρ足够大的情况下,螺旋波和时空混沌不能在介质中传播,但是低频平面波可以在介质中传播,原因是介质激发性和波传播速度大幅度降低了.因此在适当选取控制时间和ρ足够大的情况下,可以有效消除心脏中的螺旋波和时空混沌.螺旋波和时空混沌主要通过传导障碍消失,也观察到螺旋波转变为靶波、螺旋波波头回缩、时空混沌转变为螺旋波消失的现象.当相关参数适当选择时,还观察到螺旋波转变为自维持靶波现象,相应的靶波源是旋转方向相反的螺旋波对.这些结果为心脏病的基因治疗提供了有用信息.     

激发介质中螺旋波失稳的微观机理研究

采用晶格Boltzmann方法研究了激发介质中螺旋波的失稳,计算机数值模拟给出了激发介质中螺旋波失稳前后的速度场分布,并结合斑图和波头轨迹进行讨论发现,稳定螺旋波的速度场分布表现为螺旋波旋转中心处的速度做周期突变;在螺旋波开始失稳时,速度场分布表现为该位置粒子速度突变加快最后变得无规律,使速度集团分解无规律,导致速度场分布越来越混乱,并最终使系统进入时空混沌态.     

Elimination of Anti-spiral Waves by Local Inhomogeneity in Oscillatory Systems

采用系统中的局部不均匀性消除振荡系统中的反螺旋波. 该不均匀性在系统中成为一个波源,不断产生稳定的相波. 研究结果发现,不均匀性的尺寸大小存在一个临界值,如果低于此临界值,则系统将无法激发任何相波. 根据不均匀性形状的不同,系统分别产生靶波和行波. 此外,实验还发现靶波与反螺旋波之间以及行波与反螺旋波之间存在着不同的动态竞争. 数值计算表明,对于行波,无论是低频行波还是高频行波,都可以成功地消除系统中的反螺旋波;而对于靶波,只有低频靶波才可以消除反螺旋波. 此控制方法简单易行,且同样适用于消除向外传播的螺旋波     

交替行为对螺旋波影响的数值模拟研究

在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入交替(alternans)行为,研究了交替行为对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,交替对螺旋波有很大影响,例如交替导致螺旋波的形状振荡,形成呼吸螺旋波,交替使螺旋波漫游、漂移,甚至使螺旋波漫游出系统的边界,交替使螺旋波破碎形成小螺旋波、反靶波和时空混沌等,首次在均匀介质中观察到交替导致传导障碍,使螺旋波破碎和消失,并对发生这些现象的机理进行了分析. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 靶波 漫游     

反应扩散系统中螺旋波的失稳

文章以反应扩散系统为例,介绍了在可激发系统与振荡系统中螺旋波产生、发展、演化的一些基本性质及规律,并讨论了作者近年来对螺旋波的各种失稳途径、时空混沌的产生机理及螺旋波控制方面所做的实验与理论工作,重点讨论了两类螺旋波失稳现象：爱克豪斯失稳与多普勒失稳,两类失稳都使系统从有规律的螺旋波态变为时空混沌（缺陷湍流）态。     

Multi-armed spirals and multi-pairs antispirals in spatial rock–paper–scissors games

We study the formation of multi-armed spirals and multi-pairs antispirals in spatial rock–paper–scissors games with mobile individuals. We discover a set of seed distributions of species, which is able to produce multi-armed spirals and multi-pairs antispirals with a finite number of arms and pairs based on stochastic processes. The joint spiral waves are also predicted by a theoretical model based on partial differential equations associated with specific initial conditions. The spatial entropy of patterns is introduced to differentiate the multi-armed spirals and multi-pairs antispirals. For the given mobility, the spatial entropy of multi-armed spirals is higher than that of single armed spirals. The stability of the waves is explored with respect to individual mobility. Particularly, we find that both two armed spirals and one pair antispirals transform to the single armed spirals. Furthermore, multi-armed spirals and multi-pairs antispirals are relatively stable for intermediate mobility. The joint spirals with lower numbers of arms and pairs are relatively more stable than those with higher numbers of arms and pairs. In addition, comparing to large amount of previous work, we employ the no flux boundary conditions which enables quantitative studies of pattern formation and stability in the system of stochastic interactions in the absence of excitable media.     

Doppler instability of antispiral waves in discrete oscillatory reaction-diffusion media

This paper investigates antispiral wave breakup phenomena in coupled two-dimensional FitzHugh-Nagumo cells with self-sustained oscillation via Hopf bifurcation.When the coupling strength of the active variable decreases to a critical value,wave breakup phenomenon first occurs in the antispiral core region where waves collide with each other and spontaneously break into spatiotemporal turbulence.Measurements reveal for the first time that this breakup phenomenon is due to the mechanism of antispiral Doppler instability.     

自由空间中时空复变量自减速艾里拉盖尔高斯光束的相互作用

根据自由空间光束传输遵循的(3+1)维薛定谔方程,得到了两束时空自减速艾里复变量拉盖尔高斯(Airy elegent-Laguerre-Gaussian,AELG)光束共线传输时的解析解,并分析其共线传输时的传输特性.分析结果表明,双光束各自的模式指数、组合光束强度的权重因子、初始相位差对光束的传输都会有影响.本文发现,通过选择模式参数或者选择它们的相对振幅,对于共线传输的两束时空自减速AELG光束,可以有效控制叠加光束的波形形态以及横向传输截面的光斑分布.特别是当两束光束的模式参数不等于零时,波包将沿着传输轴发生螺旋形旋转,其相位图中心位置都会出现涡旋现象.若该参数值为正,则光束沿传输轴逆时针旋转,否则,光束将沿传输轴呈螺旋形顺时针方向旋转.通过调整叠加光束的初始相位差,波包沿传输轴线也将发生旋转,但这两种旋转特性的旋转机理完全不同.如果选取两束时空自减速AELG光束的角向模式参数m相同,则叠加光束在传输过程中呈现空心环形状态,出现空心环形时空自减速AELG波包,且该波包在传输截面上随着传输距离的增加,多环结构最终湮灭为单环,并向远方推移,使得空心部分越来越大.     

离散可激发介质中早期后去极化对螺旋波影响的数值研究

通过考虑某些不应态也可以被激发,在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入早期后去极化行为,研究了早期后去极化对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,早期后去极化对螺旋波有很大影响,这些影响包括使螺旋波漫游、漂移和破碎,导致螺旋波波纹被扭曲和波臂粗细交替变化,以及导致螺旋波的周期在两个值之间交替变化,产生从稳定螺旋波到呼吸螺旋波和反螺旋波的相变等.当不应态的激发阈值很高时,早期后去极化对螺旋波没有影响.对发生上述现象作了简要的讨论. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 早期后去极化     

Propagation dynamics of relativistic electromagnetic solitary wave as well as modulational instability in plasmas

By one-dimensional particle-in-cell(PIC) simulations, the propagation and stability of relativistic electromagnetic(EM) solitary waves as well as modulational instability of plane EM waves are studied in uniform cold electron-ion plasmas.The investigation not only confirms the solitary wave motion characteristics and modulational instability theory, but more importantly, gives the following findings. For a simulation with the plasma density 10²³ m^-3 and the dimensionless vector potential amplitude 0.18, it is found that the EM solitary wave can stably propagate when the carrier wave frequency is smaller than 3.83 times of the plasma frequency. While for the carrier wave frequency larger than that, it can excite a very weak Langmuir oscillation, which is an order of magnitude smaller than the transverse electron momentum and may in turn modulate the EM solitary wave and cause the modulational instability, so that the solitary wave begins to deform after a long enough distance propagation. The stable propagation distance before an obvious observation of instability increases(decreases) with the increase of the carrier wave frequency(vector potential amplitude). The study on the plane EM wave shows that a modulational instability may occur and its wavenumber is approximately equal to the modulational wavenumber by Langmuir oscillation and is independent of the carrier wave frequency and the vector potential amplitude.This reveals the role of the Langmuir oscillation excitation in the inducement of modulational instability and also proves the modulational instability of EM solitary wave.     

Modulational instability in crossing sea states: a possible mechanism for the formation of freak waves

Here we consider a simple weakly nonlinear model that describes the interaction of two-wave systems in deep water with two different directions of propagation. Under the hypothesis that both sea systems are narrow banded, we derive from the Zakharov equation two coupled nonlinear Schr?dinger equations. Given a single unstable plane wave, here we show that the introduction of a second plane wave, propagating in a different direction, can result in an increase of the instability growth rates and enlargement of the instability region. We discuss these results in the context of the formation of rogue waves.     

复Ginzburg-Landau方程中模螺旋波的稳定性研究

研究了复Ginzburg-Landau方程系统中模螺旋波与其他斑图在同一平面内的竞争行为,发现演化结果在系统参数平面内可分为四个主要区域:在I区和III区中,模螺旋波与相螺旋波相比稳定性较差,模螺旋波的空间被相螺旋波所入侵.在II区中,模螺旋波具有较强的稳定性,相螺旋波的空间被模螺旋波所入侵.在IV区内,由于时空混沌所导致的频率不稳定性,演化的结果较为复杂.我们通过对模螺旋波、相螺旋波以及时空混沌的频率分析,发现当模螺旋波的系统参数为α1=-1.34,β1=0.35时,较高频率的模螺旋波具有较好的稳定性,高频模螺旋波可以入侵低频斑图空间.竞争结果主要受系统变量实部的频率影响,频率分析所得到的理论结果与数值实验结果符合得非常好.     

Nonlinear dynamics of self-sustained supersonic reaction waves: Fickett's detonation analogue

The present study investigates the spatiotemporal variability in the dynamics of self-sustained supersonic reaction waves propagating through an excitable medium. The model is an extension of Fickett's detonation model with a state-dependent energy addition term. Stable and pulsating supersonic waves are predicted. With increasing sensitivity of the reaction rate, the reaction wave transits from steady propagation to stable limit cycles and eventually to chaos through the classical Feigenbaum route. The physical pulsation mechanism is explained by the coherence between internal wave motion and energy release. The results obtained clarify the physical origin of detonation wave instability in chemical detonations previously observed experimentally.