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Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法与跨流域空气动力学应用研究

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第九届全国流体力学学术会议

作者：李志辉吴俊林李绪国蒋新宇张涵信中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所国家计算流体力学实验室

随着高性能计算机与流体力学计算技术进步,是否能发展可靠模拟航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题一体化数值计算方法?是航天器再入气动设计与调姿配平关键基础。为研究各流域气动特征,过去近二十年来,报告人基于对连接微观分子动力... 详细信息

随着高性能计算机与流体力学计算技术进步,是否能发展可靠模拟航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题一体化数值计算方法?是航天器再入气动设计与调姿配平关键基础。为研究各流域气动特征,过去近二十年来,报告人基于对连接微观分子动力学与宏观流体力学的介观Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分物理分析与可计算建模,提出了直接求解Boltzmann(玻尔兹曼)模型方程气体动理论统一算法(GKUA)。本文以此为基础,针对大型航天器复杂外形绕流多流区共存与精细描述的困难,使用气体分子碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数,将各流域流态控制参数、宏观流动物理量、气体粘性输运特性、热力学效应及气体分子相互作用规则和分子模型等用统一的表达式联系起来,确立描述航天器跨越飞行各流域复杂高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程。研制适于跨流域高、低不同马赫数绕流问题模拟的离散速度坐标法与宏观流动参数动态确定离散速度数值积分法。采用Crank-Nicolson隐式方法与混合通量NND差分技术,构造直接求解Boltzmann模型方程LU-SGS隐式格式与网格中心型有限体积方法,研究设计了一种基于块与块之间数据传递的多块对接网格生成方法,克服了显式格式、单块网格在处理连续、近连续流区复杂外形绕流时计算效率较低的问题。通过将隐式与显式格式用于近连续流区、连续流区计算检验与对比分析,两种途径得到的结果完全一致,且与连续流理论解经典数据吻合较好,隐式格式每时间步所需CPU时间约为显式格式的一半,表明本文算法模型具有较高计算效率与强劲收敛特性。通过发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行计算策略,基于小、中、大规模64024、1024000、49500625CPU及众核异构计算机50015000CPU进程并行算法测试,获得拟线性加速与至少90%以上并行效率,研制了求解Boltzmann模型方程可扩展大规模并行算法与再入各流域复杂气动力/热问题并行计算软件。通过对全飞行流域不同Knudsen数、不同马赫数可重复使用卫星体、飞船返回舱等再入气动力/热绕流问题大规模并行计算与算法验证,证实Boltzmann方程可计算建模统一算法在求解航天器往返大气层各流域复杂高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性,揭示高稀薄流到连续流不同流区、不同马赫数复杂绕流现象与流动变化机理。

关键词： Boltzmann方程可计算建模跨流域空气动力学统一算法高性能并行计算

来源： cnki会议评论

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反常与非遍历多尺度建模、分析及算法

中国科学：数学 2023年第8期53卷 1039-1066页

作者：邓伟华兰州大学数学与统计学院兰州730000

反常与非遍历现象在自然界中无处不在.随着实验技术的发展,各种新的实验现象仍不断涌现.为解释现象/揭示机理,本文建立微观模型(随机过程),并对微观模型进行随机分析和统计分析.同时,本文推导出一些宏观统计量(如粒子位置、泛函、逃逸... 详细信息

反常与非遍历现象在自然界中无处不在.随着实验技术的发展,各种新的实验现象仍不断涌现.为解释现象/揭示机理,本文建立微观模型(随机过程),并对微观模型进行随机分析和统计分析.同时,本文推导出一些宏观统计量(如粒子位置、泛函、逃逸概率和首次通过时间等)的概率分布满足的宏观方程,进而研究方程解的正则性及方程的数值计算方法.非静止介质中的反常与非遍历多尺度动力学将是数学和自然科学中有重要理论价值和应用前景的研究课题.流形上的反常与非遍历动力学也是值得研究的课题.所有情形下的跨尺度反常与非遍历动力学是重要的研究课题.

关键词：可计算建模非平衡态统计物理非静态介质分析与算法

基于高通量计算的反渗透淡化三维传递MLP模型构建

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科学通报 2023年第13期68卷 1709-1720页

作者：谢国鸿罗玖黄明鸣衡益中山大学计算机学院广州510006 国家超级计算广州中心广州510006 广东省计算科学重点实验室广州510006

全球淡水资源日趋紧张.反渗透(reverse osmosis, RO)是目前最先进的淡化技术之一,占据了50%以上淡化市场.高性能RO膜可显著提高产水效率,但其高通量的特性也导致了严重的浓差极化与膜污染等共性难题,严重制约其进一步广泛应用.因此,在... 详细信息

全球淡水资源日趋紧张.反渗透(reverse osmosis, RO)是目前最先进的淡化技术之一,占据了50%以上淡化市场.高性能RO膜可显著提高产水效率,但其高通量的特性也导致了严重的浓差极化与膜污染等共性难题,严重制约其进一步广泛应用.因此,在传统膜组件迭代设计方法的基础上,开发更高效的优化设计方法,可加速高性能RO膜的商业化,极具研究意义.本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)和深度学习方法,结合超级计算,构建了多工况下基于高性能RO膜的海水淡化复杂进水通道的高维非线性传递模型:建立了RO膜组件进水通道中流体流动与盐组分传递的“多物理场全耦合高保真三维模型”;基于商业进水隔网在设计参数空间范围内进行类拉丁超立方抽样,生成726组不同工况CFD模型,并行计算规模可达2万核以上;基于数据驱动的深度学习方法,建立代理传递模型,可预测整个设计参数空间内大规模参数组合工况模型的三维局部速度、压力以及浓度分布,通过计算相对均方根误差,得到预测精度分别为93.5%、98.3%和95.1%,计算效率相比传统有限元方法提高了1~2个数量级.本文提出的高可扩展并行计算方法适用于多类型结构进水隔网的海量筛选和优化设计,为揭示RO膜组件中复杂流动与传递过程机理提供了可计算模型与数据支撑;构建的代理模型可进一步应用于工厂尺度系统设计,具有重要的研究和应用价值.

关键词：海水淡化高性能反渗透膜可计算建模多层感知机高通量计算

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计算神经科学

计算数学 2021年第2期43卷 133-161页

作者：周栋焯上海交通大学数学科学学院、自然科学研究院、科学与工程计算教育部重点实验室上海200240

计算神经科学是近三十年来出现的一个新兴交叉学科,它强调采用数学定量的方法,如数学建模、理论分析和数值模拟等来研究和解决神经科学中的重要科学问题,一方面神经科学实验现象为发展新的数学模型、理论和算法提供了基础,另一方面通过... 详细信息

计算神经科学是近三十年来出现的一个新兴交叉学科,它强调采用数学定量的方法,如数学建模、理论分析和数值模拟等来研究和解决神经科学中的重要科学问题,一方面神经科学实验现象为发展新的数学模型、理论和算法提供了基础,另一方面通过数学定量,能反过来揭示神经科学实验现象背后的数理机制,发现新的科学规律.随着欧盟、美国、日本和我国脑计划的陆续推出,对大脑的探索已成为重要的前沿科学领域,同时随着数据科学、机器学习等领域的兴起,研究如何借鉴大脑的工作原理来实现类脑计算以及人工智能也成为了世界大国科技竞争的战略制高点.鉴于此,计算神经科学作为连接大脑神经科学与类脑人工智能两大研究领域的桥梁,在前沿科学领域和国家战略需求中的地位变得越来越重要.计算神经科学研究领域的发展,对于推动神经科学与数学、物理、统计、计算机、人工智能等其他自然科学学科及工程应用学科之间的共进发展,以及综合利用不同学科的优势互补来取得从零到一的重要科学突破有着重大意义.

关键词：计算神经科学可计算建模科学计算神经科学人工智能

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水凝胶类软物质材料中的数学问题

计算数学 2018年第1期40卷 1-23页

作者：张辉北京师范大学数学科学学院数学与复杂系统教育部重点实验室

水凝胶是一种具有广泛应用前景的软物质材料，一直是材料学家、物理化学家们关心的热点，目前有很多实验和专利产品．其机理和模型的研究处于初期阶段，本文综述该领域的部分进展，包括形变、微结构和宏观性质等的数学模型和相关计算方... 详细信息

水凝胶是一种具有广泛应用前景的软物质材料，一直是材料学家、物理化学家们关心的热点，目前有很多实验和专利产品．其机理和模型的研究处于初期阶段，本文综述该领域的部分进展，包括形变、微结构和宏观性质等的数学模型和相关计算方法，一并列出一些亟待解决的问题．

关键词：水凝胶类软物质相变微结构宏观性质可计算建模计算方法

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相控阵雷达天线多保真度优化设计

华中科技大学学报（自然科学版） 2012年第S2期40卷 56-59页

作者：虞跨海段世忠李朝伟周树平洛阳光电技术发展中心河南洛阳471009 河南科技大学力学系河南洛阳471023

研究了某型相控阵雷达天线多保真度优化设计技术.基于代理模型,提出了天线单元优化、阵列优化和近似模型的分层次多保真度优化方法,以提高计算效率;采用KS包络函数将多目标问题转化为单目标函数;以雷达天线几何模型参数为设计变量,以提... 详细信息

研究了某型相控阵雷达天线多保真度优化设计技术.基于代理模型,提出了天线单元优化、阵列优化和近似模型的分层次多保真度优化方法,以提高计算效率;采用KS包络函数将多目标问题转化为单目标函数;以雷达天线几何模型参数为设计变量,以提高雷达天线电磁性能为目标,以温度、应力、变形等为约束,在Isight平台下建立了某型相控阵雷达天线的多学科设计优化系统,实现了雷达天线阵列的多学科设计优化,在满足传热、强度等学科约束的条件下,提高了雷达天线的电磁性能.

关键词：多学科设计优化相控阵雷达多保真度可计算建模多目标决策