基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

求解中子动力学方程的加权蒙特卡罗方法

为了实现基于蒙特卡罗方法的中子动力学计算,在传统的直接蒙特卡罗动力学方法的基础上,提出了一种加权蒙特卡罗动力学方法。该方法通过引入粒子权重的概念,隐式考虑中子俘获反应和裂变反应过程中中子数目的变化,避免了模拟粒子的数目随时间的变化,降低了统计偏差,消除了程序计算过程中粒子的存库操作,提高了计算精度。基于单能点堆模型,开发了中子动力学计算程序NECP-Dandi,进行了大量数值验证与分析,包括无缓发中子、单组缓发中子、六组缓发中子、正阶跃反应性引入、负阶跃反应性引入、正脉冲反应性、负脉冲反应性和正线性反应性引入等情况。数值结果表明,相比于直接蒙特卡罗动力学方法,加权蒙特卡罗动力学方法在计算结果的精度和计算效率上有较为明显的改进,程序结构更为简洁。     

微波器件微放电阈值计算的快速单粒子蒙特卡罗方法

为了计算微波器件的微放电阈值,提出了一种快速单粒子蒙特卡罗方法.该方法对二次电子出射能量、出射角度和相位等参数进行随机处理,结合四阶龙格库塔法和Furman模型模拟了电子运动和二次电子发射系数,并以多次连续碰撞的二次电子发射系数的算数平均值作为微放电效应发生的判据.以平板传输线横电磁模式为研究对象,分别采用快速单粒子蒙特卡罗方法、统计模型、传统蒙特卡罗方法以及粒子模拟方法计算其微放电阈值和敏感区域.计算结果表明,该方法不仅具有与统计模型和粒子模拟方法相当的计算精度,而且比统计模型方法的适应性更强,比传统蒙特卡罗方法的稳定性更好,比粒子模拟方法的计算效率高几十倍以上.     

蒙特卡罗方法在解微分方程边值问题中的应用

介绍了蒙特卡罗方法的基本原理以及随机数的产生方法。基于蒙特卡罗方法的思想,结合有限差分方法,建立了求解微分方程边值问题的随机概率模型,并以第一类边界条件的拉普拉斯方程和一个给定初值及边界条件的非稳态热传导方程为数值算例,研究了蒙特卡罗方法在求解微分方程边值问题中的应用。结果表明:利用蒙特卡罗方法,不仅可以有效解决给定边界条件的微分方程,对于给定初值条件的微分方程,也可以从时域有限差分方程出发,采用蒙特卡罗方法进行求解。数值模拟和对误差的理论分析均表明,增加蒙特卡罗试验中的模拟粒子点数,可以提高计算结果的精度。     

基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法

蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一,其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子,计算耗时长,这阻碍了该方法的进一步应用,尤其在需快速响应的情形.本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法,能够实现源分布可变,几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解.首先,为高效生成用于神经网络训练的数据,利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量,在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点.进而,基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实,设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略.该网络的输入是中子源项,输出是目标计数,在几何、材料和目标计数固定的情况下,该神经网络可重复使用,根据新的源项快速准确得到目标计数.本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题.基于若干基准模型的验证表明,训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数,且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.     

蒙特卡罗区域分解并行计算中确保串并行结果一致的伪随机数应用

物理建模的精细化和三维模拟给蒙特卡罗粒子输运计算的规模成千上万倍的增加,甚至超过单核内存的最大规模,仅仅依靠传统的粒子并行蒙特卡罗计算无法实现对模型模拟,区域分解并行是可能的解决方法之一.然而区域分解带来了粒子在各区域间进行迁移,导致现有的伪随机数应用方式无法确保串行计算和并行计算的结果一致.针对这种现象,本文提出赋予粒子随机数属性和动态派生次级粒子随机数的技巧来确保区域分解并行计算的串并行结果一致.     

热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

惯性约束聚变研究中,热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一.隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程,但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时,该方法花费的计算时间将变得很长,导致模拟效率很低.本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础,开发了"离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序",可以较好地解决重介质区的计算效率问题,但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高.辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质,为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题,本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法,并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法,研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序.典型辐射输运问题模拟显示:在模拟重介质问题时,该程序能大幅缩短模拟时间,且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果;在模拟轻重介质均存在的问题时,与隐式蒙特卡罗方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.     

多物理耦合计算中动态输运问题高效蒙特卡罗模拟方法

多物理耦合计算在众多领域都有重要应用.如果其包含粒子输运过程,用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间,因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大,其不可避免地依赖于大规模并行.基于动态输运问题的特点,本文提出了两种新方法:一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法;二是动态输运计算样本数自适应算法.两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少,从而提高了效率.     

高温热辐射输运模拟的蒙特卡罗全局降方差方法

针对隐式蒙特卡罗方法模拟高温热辐射输运问题时存在的“辐射强度计算误差时间空间分布严重不均匀”现象,通过理论分析和数值模拟手段,找到决定误差大小的主要因素为“网格内的辐射径迹长度记录数”.据此提出“隐式蒙特卡罗全局降方差方法”并推导相应的计算公式.该方法主要包含如下3个关键技术:1)针对辐射输运蒙特卡罗模拟的自适应动态分配源粒子方法; 2)与自适应动态分配源粒子相匹配的动态权窗设计技术及粒子权无偏估计算法; 3)辐射强度的解析估计降方差方法.针对这3个关键技术,设计蒙特卡罗数值模拟方案,编写相应的数值模拟程序模块.典型辐射输运问题模拟结果显示:隐式蒙特卡罗全局降方差方法能够使网格辐射强度计算误差在整个时空范围内分布相对比较均匀,最大误差可控,计算效率提升10倍左右.新方法在激光惯性约束聚变的黑腔辐射输运模拟应用中取得了显著效果.     

电介质表面纵向射频电场对次级电子倍增效应的影响

基于次级电子倍增动力学模型和次级电子发射曲线,运用蒙特卡罗方法模拟电介质表面具有纵向射频电场作用下的单边次级电子倍增现象,研究次级电子倍增的表面电场敏感曲线和时间演化图像. 以一个S波段射频介质窗为例,计算次级电子在其介质表面的沉积功率. 结果表明,纵向射频电场可能加剧电介质表面的次级电子倍增效应,易于导致介质片破裂,不利于高频能量传输. 关键词： 纵向射频场 次级电子倍增效应 蒙特卡罗方法 功率沉积     

粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述

蒙特卡罗(MC)方法发展已有60多年历史,广泛应用于核科学及相关领域.MC方法超强的几何处理能力,使用精密的连续点截面参数,能够模拟各种复杂几何系统内的中子、光子、电子、α粒子、质子及其耦合输运问题.随着计算机的快速发展,通过大规模并行计算,MC方法及程序已成为模拟各种粒子输运问题的首选工具.     

JMCT与子通道程序耦合方法研究及验证

蒙特卡罗与热工水力的耦合计算是目前反应堆数值模拟的重要研究方向,在蒙特卡罗方法连续能量点截面的基础上结合热工程序的温度反馈,反应堆中子计算的准确性得到大幅提高。为了提高计算精度,堆芯模型分辨率也需进一步提高,相比于组件均匀化模型,pin-by-pin的建模方式能够获得更好的结果。利用蒙特卡罗程序JMCT与子通道程序COBRA-EN实现了蒙特卡罗-热工的内耦合,内耦合方式通过内存进行数据传递,其计算效率及安全性均优于外耦合方法。随后利用NURISP项目迷你堆的pin-by-pin模型对耦合程序进行验证。计算结果与同类耦合程序相似,验证了程序的准确性。同时,对耦合过程的收敛性问题进行了初步分析。     

Monte Carlo方法在单粒子翻转数值模拟中的应用

描述了在单粒子翻转数值模拟中的一种有效方法-Monte Carlo方法,并对该方法中的粒子输运过程和相关的随机抽样进行了描述.对14MeV的中子从存储器硅片表面随机入射引起的单粒子翻转进行了计算和分析,同时计算了Monte Carlo方法引起的误差.     

Differences between fixed time step and kinetic Monte Carlo methods for biased diffusion

We consider biased diffusion in a one-dimensional lattice and compare results obtained with fixed time step and kinetic Monte Carlo methods. Spurious dispersion and particle position correlation appear with the fixed time step Monte Carlo approach. The mentioned correlation increases with time. We demonstrate that the correct results, that correspond to a time step that tends to zero, are obtained using the kinetic Monte Carlo method. The conclusions also apply to biased diffusion in two or more dimensions and to random deposition.     

Light scattering by a spherical particle with multiple densely packed inclusions

This paper calculates light scattering by a spherical water particle containing densely packed inclusions at a visible wavelength 0.55 \mum by a combination of ray-tracing and Monte Carlo techniques. While the individual reflection and refraction events at the outer boundary of a sphere particle are considered by a ray-tracing program, the Monte Carlo routine simulates internal scattering processes. The main advantage of this method is that the shape of the particle can be arbitrary, and multiple scattering can be considered in the internal scattering processes. A dense-medium light-scattering theory based on the introduction of the static structure factor is used to calculate the phase function and asymmetry parameters for densely packed inclusions. Numerical results of the single scattering characteristics for a sphere containing multiple densely packed inclusions are given.     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

A comparison of generalized hybrid Monte Carlo methods with and without momentum flip

The generalized hybrid Monte Carlo (GHMC) method combines Metropolis corrected constant energy simulations with a partial random refreshment step in the particle momenta. The standard detailed balance condition requires that momenta are negated upon rejection of a molecular dynamics proposal step. The implication is a trajectory reversal upon rejection, which is undesirable when interpreting GHMC as thermostated molecular dynamics. We show that a modified detailed balance condition can be used to implement GHMC without momentum flips. The same modification can be applied to the generalized shadow hybrid Monte Carlo (GSHMC) method. Numerical results indicate that GHMC/GSHMC implementations with momentum flip display a favorable behavior in terms of sampling efficiency, i.e., the traditional GHMC/GSHMC implementations with momentum flip got the advantage of a higher acceptance rate and faster decorrelation of Monte Carlo samples. The difference is more pronounced for GHMC. We also numerically investigate the behavior of the GHMC method as a Langevin-type thermostat. We find that the GHMC method without momentum flip interferes less with the underlying stochastic molecular dynamics in terms of autocorrelation functions and it to be preferred over the GHMC method with momentum flip. The same finding applies to GSHMC.     

Improved algorithms and coupled neutron-photon transport for auto-importance sampling method

The Auto-Importance Sampling(AIS) method is a Monte Carlo variance reduction technique proposed for deep penetration problems, which can significantly improve computational efficiency without pre-calculations for importance distribution. However, the AIS method is only validated with several simple examples, and cannot be used for coupled neutron-photon transport. This paper presents improved algorithms for the AIS method, including particle transport, fictitious particle creation and adjustment, fictitious surface geometry, random number allocation and calculation of the estimated relative error. These improvements allow the AIS method to be applied to complicated deep penetration problems with complex geometry and multiple materials. A Completely coupled Neutron-Photon Auto-Importance Sampling(CNP-AIS) method is proposed to solve the deep penetration problems of coupled neutron-photon transport using the improved algorithms. The NUREG/CR-6115 PWR benchmark was calculated by using the methods of CNP-AIS, geometry splitting with Russian roulette and analog Monte Carlo, respectively. The calculation results of CNP-AIS are in good agreement with those of geometry splitting with Russian roulette and the benchmark solutions. The computational efficiency of CNP-AIS for both neutron and photon is much better than that of geometry splitting with Russian roulette in most cases, and increased by several orders of magnitude compared with that of the analog Monte Carlo.     

Backward Monte Carlo simulation for apparent directional emissivity of non-isothermal semitransparent slab

A backward Monte Carlo method based on radiation distribution factor is extended to compute the apparent directional emissivity of one-dimensional absorbing-emitting-scattering semitransparent slab with specular semitransparent surface and opaque diffuse substrate. A non-isothermal semitransparent slab is taken as an example to examine the efficiency of backward Monte Carlo method. The apparent directional emissivity of the semitransparent slab is determined by backward Monte Carlo simulation and compared with that determined by forward Monte Carlo simulation. The results show that the backward Monte Carlo method is very efficient in solving the apparent directional emissivity of the semitransparent slab. The backward Monte Carlo method converges more quickly than the forward Monte Carlo method.