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球几何中辐射源粒子抽样方法的改进

物理学报 2020年第11期69卷 326-334页

作者：许育培李树北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院研究生院北京100088

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射输运问题时,辐射源粒子的抽样对结果的正确性很重要.在球几何热辐射输运隐式蒙特卡罗模拟中,通常的做法是假设单个网格(球壳)的温度不随空间变化,即源粒子在球壳内均匀分布.对于网格内部温度分布梯度不... 详细信息

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射输运问题时,辐射源粒子的抽样对结果的正确性很重要.在球几何热辐射输运隐式蒙特卡罗模拟中,通常的做法是假设单个网格(球壳)的温度不随空间变化,即源粒子在球壳内均匀分布.对于网格内部温度分布梯度不大的情况,这种处理不会造成太大误差,然而当物质的吸收系数很大或球壳较厚时,那么单个网格内温度的空间变化也可能较大,这种处理将导致模拟的热辐射传播速度比实际的要快.本文分析了导致这种偏差的原因,并基于辐射能量密度分布,推导了球几何下辐射源粒子发射位置的概率密度函数,提出了两种辐射源粒子空间抽样方法,设计了抽样流程,计算了典型的热辐射输运问题.数值计算表明,这两种新的源粒子空间抽样方法均能修正辐射传播速度与参考值的偏差,解决计算结果过分依赖于网格剖分的问题.同时,在网格数较少、模拟粒子数较少的情况下新方法仍能得到较准确的结果,有效提高了计算效率.

关键词：隐式蒙特卡罗热辐射输运球几何空间抽样

基于能量密度分布的辐射源粒子空间抽样方法研究

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物理学报 2014年第23期63卷 472-477页

作者：李树邓力田东风李刚北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院绵阳621900

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时,物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量.传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法,对于大多数问题,这样处理不会带来大的偏差.但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内... 详细信息

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时,物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量.传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法,对于大多数问题,这样处理不会带来大的偏差.但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内温差显著的问题,体平均抽样方法的计算结果偏差较大.分析了产生偏差原因,提出一种基于辐射能量密度分布的辐射源粒子空间位置抽样方法,并推导了相应的抽样公式以解决此类问题.数值实验表明,新方法计算结果明显优于原方法且与解析结果基本一致.

关键词：隐式蒙特卡罗热辐射输运抽样方法

神光Ⅲ主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

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物理学报 2018年第2期67卷 187-194页

作者：李树陈耀桦姬志成章明宇任国利霍文义闫威华韩小英李志超刘杰蓝可北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院激光聚变中心绵阳621900 北京大学应用物理与技术中心北京100871 上海交通大学聚变科学与应用协同创新中心上海200240

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的... 详细信息

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.

关键词：球型黑腔激光聚变间接驱动隐式蒙特卡罗

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热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

物理学报 2020年第2期69卷 321-329页

作者：许育培李树北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院研究生院北京100088

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... 详细信息

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.

关键词：热辐射输运隐式蒙特卡罗离散扩散蒙特卡罗界面处理方法

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高温热辐射输运问题的蒙特卡罗模拟研究

高温热辐射输运问题的蒙特卡罗模拟研究

作者：许育培中国工程物理研究院

学位级别：硕士

蒙特卡罗方法自被提出以来,在核物理中一直有着广泛的应用,而且随着科学技术与计算机的快速发展,该方法也更加受重视。蒙特卡罗方法在一定程度上可以代替一部分物理实验,可以解决一些确定论方法难以解决的问题,是核物理实验中非常有效... 详细信息

蒙特卡罗方法自被提出以来,在核物理中一直有着广泛的应用,而且随着科学技术与计算机的快速发展,该方法也更加受重视。蒙特卡罗方法在一定程度上可以代替一部分物理实验,可以解决一些确定论方法难以解决的问题,是核物理实验中非常有效的工具。在惯性约束核聚变中,温度可达上千万度,此时物质产生的热辐射是能量传递的主要方式,由于热辐射与物质相互作用的复杂性以及辐射输运方程的非线性,确定论方法难以得到精确解,而利用蒙特卡罗方法求解热辐射输运问题是最好的选择。隐式蒙特卡罗(Implicit Monte Carlo,IMC)方法是热辐射输运模拟中的常用方法,IMC方法能正确地模拟热辐射在物质中的输运过程,然而当物质吸收很强(光性厚)时,模拟效率很低。本文首先研究了球对称几何IMC中源粒子抽样过程,提出了源粒子抽样的新方法,该方法可以修正源粒子抽样带来的偏差。之后本文以IMC方法为基础,研究了一维、灰体离散扩散蒙特卡罗(Discrete Diffusion Monte Carlo,DDMC)方法,推导了一维平板几何、球几何下的DDMC方程,并开发了“DDMC辐射输运模拟程序”,解决了 IMC方法在强吸收物质中模拟效率太低的问题。本文还研究了一维平板几何、球几何下IMC与DDMC的耦合方法,提出了 IMC区域与DDMC区域交界面处理方法,并研制了混合蒙特卡罗辐射输运模拟程序,以解决DDMC方法在边界处与物理规律不符的问题,以及弥补DDMC方法在弱吸收(光性薄)物质中模拟精度的不足,即在强吸收与弱吸收物质共同存在的系统中,将DDMC方法应用于强吸收区,将IMC方法应用于弱吸收区,并通过界面处理方法将DDMC与IMC相耦合,实现热辐射输运的高效、高精度模拟。为验证所提出的源粒子抽样新方法的正确性,本文设计并计算了几个球几何辐射输运问题,结果显示:新抽样方法能得到更准确的辐射输运结果。为验证DDMC方法与混合辐射输运模拟程序的正确性与高效性,本文计算了一些典型的一维平板几何、球几何辐射输运问题,结果显示:当模拟热辐射在强吸收物质中的输运时,该程序能得到与IMC方法一致的结果,且能大幅提高模拟效率,在一维平板DDMC模拟中效率提高可达29.2,在球对称DDMC模拟中效率提高可达8.6;当模拟强吸收物质与弱吸收物质共存的问题时,与IMC方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度相当且计算效率同样能得到显著提高,在一维平板IMC-DDMC模拟中效率提高可达10.6,而在球对称IMC-DDMC模拟中可达3.6。

关键词：热辐射输运输运方程扩散方程隐式蒙特卡罗离散扩散蒙特卡罗界面处理方法