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界面不稳定性诱导的湍流混合问题的RANS统一预测新思路

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空气动力学学报 2024年第9期42卷 1-13页

作者：谢寒松肖梦娟张又升北京大学高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室应用物理与技术研究中心北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室

准确预测由Rayleigh-Taylor(RT)、Richtmyer-Meshkov(RM)和Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合问题具有重要的科学意义和工程价值。在工程实践中，利用雷诺平均湍流模型（Reynolds-averaged NavierStokes, RANS）模拟上述问题是当前及可见的未来最主流的方法。RANS模型主要包括物理模型和模型系数两方面。然而，在实际工程中，存在各类复杂性问题及其相互耦合，使得采用同一套RANS模型统一预测不同混合问题变得极具挑战，而这又是RANS模型能落地工程应用的前提条件。为解决上述问题，本研究直面工程应用，基于整体论思维观提出了实现RANS渐近理想统一预测的新思路，给出了系统确定湍流混合模型系数的新方法，并将其应用至混合领域内的k-L、k-ε和BHR三类（含亚类）主流的RANS混合模型，均实现了同一套湍流混合模型对不同混合问题的统一预测，证明了所提思路和方法在混合领域的适用性和鲁棒性。本工作可为RANS湍流混合模型的工程化应用奠定基础，其核心思路也可望延拓应用至其他领域的湍流模型上。

关键词：湍流混合统一预测 RANS模型模型系数

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单模流体界面不稳定性势流理论研究进展综述

中国科学:物理学力学天文学 2024年第10期54卷 6-33页

作者：刘昌文肖左利张又升北京大学高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室应用物理与技术研究中心北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用中,是流体力学研究领域的重要研究课题.在惯性约束聚变工程中,这些不稳定性对于聚变点火过程的成功至关重要.因此,深入理解不稳定性的发展机制... 详细信息

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用中,是流体力学研究领域的重要研究课题.在惯性约束聚变工程中,这些不稳定性对于聚变点火过程的成功至关重要.因此,深入理解不稳定性的发展机制并建立相应的理论模型,不仅具有深远的科学意义,而且对实际工程应用具有重要的理论支撑作用.本文详细综述了自1955年Layzer提出势流理论模型以来,学术界在平面单模RT和RM不稳定性界面顶点演化预测方面所取得的一系列研究进展.研究内容涵盖了影响不稳定性发展的多种关键因素,包括初始扰动形式、流体密度比、涡量、表面张力、黏性和可压缩性等.同时,本文深入探讨了这些因素之间的非线性耦合关系和背后的物理机理,并分析了向汇聚几何扩展时由于几何效应所产生的附加影响.最后,本文对单模不稳定性理论未来的发展方向和研究重点提出了展望.

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 Richtmyer-Meshkov不稳定性界面顶点演化 Layzer势流理论

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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

物理学进展 2024年第2期44卷 49-72页

作者：张航陈默涵高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心北京大学工学院北京100871 北京大学物理学院北京100871 北京科学智能研究院北京100080

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简... 详细信息

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括Kohn-Sham密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹(ABACUS)中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

关键词：温稠密物质第一性原理分子动力学机器学习原子算筹

内爆载荷下民机用定向泄爆容器结构的动态响应

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兵工学报 2024年第7期45卷 2383-2392页

作者：左铭朔徐豫新李永鹏李旭东郭德龙杨祥北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 高能量密度材料教育部重点实验室北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120 中北大学机电工程学院山西太原030051 上海飞机设计研究院上海201210

为保证民机航空安全、满足民机抗爆结构设计要求,研究不同当量TNT内爆冲击下民机用定向泄爆容器结构的动态响应。设计用于民机上爆炸物危险排除的定向泄爆容器,通过爆炸试验验证泄爆容器的可靠性,确定泄爆容器的爆炸物临界包容当量为42 ... 详细信息

为保证民机航空安全、满足民机抗爆结构设计要求,研究不同当量TNT内爆冲击下民机用定向泄爆容器结构的动态响应。设计用于民机上爆炸物危险排除的定向泄爆容器,通过爆炸试验验证泄爆容器的可靠性,确定泄爆容器的爆炸物临界包容当量为42 g。进一步对该泄爆容器在不同当量内爆载荷下的动态响应进行数值仿真,分析塞块的运动过程以及内爆载荷对泄爆容器的作用机理。研究结果表明:剪切销在爆炸冲击波作用下剪切断裂,剪断过程中塞块发生振动,剪切销剪断后塞块持续加速,容器内最终产生约7.5 MPa的准静态压力,塞块冲破机身壁板后匀速飞出,容器泄压并自泄爆口向内形成约0.38~0.85 MPa的压强梯度;TNT当量对塞块飞行速度的影响明显,塞块飞行速度随当量的增加而提高,且提高率不断减小。所得研究结果可为民机防爆容器的设计以及应用提供支撑。

关键词：民机定向泄爆内爆载荷容器动态响应有限元模拟

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通过Mo掺杂诱导低Li/Ni混排程度增强Li_(1.2)Ni_(0.13)Fe_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)可逆容量与循环稳定性

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物理学报 2024年第2期73卷 302-309页

作者：冉沛林吴康赵恩岳王芳卫毋志民重庆师范大学物理与电子工程学院重庆401331 松山湖材料实验室东莞523808 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190

富锂层状氧化物因能量密度高和成本低,有望成为下一代锂离子电池正极的重要候选材料.然而,富锂正极材料中阴离子氧化还原反应使晶格氧不稳定,导致电压衰减和不可逆容量损失.尽管铁代无钴富锂材料可以实现较少的电压衰减,但存在严重的阳... 详细信息

富锂层状氧化物因能量密度高和成本低,有望成为下一代锂离子电池正极的重要候选材料.然而,富锂正极材料中阴离子氧化还原反应使晶格氧不稳定,导致电压衰减和不可逆容量损失.尽管铁代无钴富锂材料可以实现较少的电压衰减,但存在严重的阳离子混排和较差的动力学.采用一种简单易行的高价离子掺杂策略,在Li_(1.2)Ni_(0.13)Fe_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)(LNFMO)中掺入Mo元素,拓宽了锂层间距,为Li^(+)的传输提供了更宽的通道,改善了Li^(+)的扩散动力学,有效抑制了阳离子混排,进一步稳定了层状结构.得益于此,Mo掺杂后的富锂材料表现出显著增强的电化学性能,在0.2 C电流密度下表现出209.48 mAh/g的初始放电比容量.1C下的初始放电比容量从137.02 mAh/g提高到165.15 mAh/g;循环300次后,仍有117.49 mAh/g的放电比容量,电压衰减由2.09 mV/cycle降低为1.66 mV/cycle.本文对Mo掺杂后的正极材料进行了系统表征并揭示了循环稳定的机理,为高性能富锂正极材料的设计提供了重要参考.

关键词：锂离子电池富锂层状氧化物正极材料阳离子混排

Ni^(3+)抑制具有阴离子氧化还原活性钠离子电池正极材料的电压衰减

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物理化学学报 2024年第6期40卷 54-56页

作者：胡紫霖牛耀申容晓晖胡勇胜中国科学院物理研究所清洁能源实验室北京新能源材料与器件重点实验室北京凝聚态物理国家实验室北京100190 中国科学院大学材料与光电技术学院北京100049 长三角物理研究中心有限公司江苏溧阳213300 中国科学院物理研究所怀柔分部北京101400

由于钠资源丰富,钠离子电池在大规模储能方面显示出巨大的潜力。随着近年来研究的深入,在正极材料中引入适量的阴离子氧化还原可以有效地提升钠离子电池的能量密度,同时减少高成本过渡金属元素如V、Co和Ni等的用量。有研究表明,材料循... 详细信息

由于钠资源丰富,钠离子电池在大规模储能方面显示出巨大的潜力。随着近年来研究的深入,在正极材料中引入适量的阴离子氧化还原可以有效地提升钠离子电池的能量密度,同时减少高成本过渡金属元素如V、Co和Ni等的用量。有研究表明,材料循环过程中不可逆的氧损失以及Mn^(4+)/Mn^(3+)氧化还原的激活,导致了层状氧化物正极材料持续的电压衰减。本工作通过在Na_(x)[Li,Ni,Mn]O_(2)基钠离子电池正极材料中引入Ni^(3+)作为Mn^(4+)/Mn^(3+)氧化还原屏障,利用Ni^(3+)/Ni^(2+)的氧化还原代替Mn^(4+)/Mn^(3+)的氧化还原,成功抑制了材料的电压衰减。电化学测试结果显示,改性材料在不损失容量的前提下,循环稳定性得到明显提升。X射线光电子能谱结果也验证了Ni3^(+)的引入有利于维持材料多周循环后Mn价态的稳定。

关键词：钠离子电池阴离子氧化还原电压衰减单相固溶反应

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等离子体对撞过程的混合流体-PIC数值模拟研究

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计算物理 2024年

作者：王艺澎康洞国刘庆康张旭林伟胜孟凡琦罗慧蔡洪波北京应用物理与计算数学研究所中国工程物理研究院研究生院北京大学应用物理与技术研究中心物理学院

两团等离子体的对撞过程广泛存在于天体环境和聚变物理中。本文基于准一维平板内爆模型，利用混合流体-PIC程序ASCENT-H与一维流体力学程序MULTI-IFE，对比研究了两团等离子体的碰撞和对穿过程。混合流体-PIC模拟表明存在显著离子对穿... 详细信息

两团等离子体的对撞过程广泛存在于天体环境和聚变物理中。本文基于准一维平板内爆模型，利用混合流体-PIC程序ASCENT-H与一维流体力学程序MULTI-IFE，对比研究了两团等离子体的碰撞和对穿过程。混合流体-PIC模拟表明存在显著离子对穿现象，且离子速度分布偏离热平衡状态；这延长了动能转化时间，影响两团等离子体对撞过程中的能量转化和温度分布。相应地，离子温度峰值较流体模拟低、空间分布出现更大展宽。此外，还探讨壳层速度不对称性对等离子体碰撞后温度密度状态的影响。本工作深化了对ICF内爆过程和点火热斑形成过程的理解。

关键词：内爆减速阶段对穿效应混合流体-PIC建模

爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响

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爆炸与冲击 2024年第2期44卷 164-174页

作者：郭德龙任云燕徐豫新李永鹏李旭东杨祥北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 北京理工大学高能量密度材料教育部重点实验室北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120 中北大学机电工程学院山西太原030051 上海飞机设计研究院上海201210

研究了不同位置炸药爆炸作用下钛合金定向泄爆容器的冲击响应。通过试验与数值模拟,分析了100 g TNT炸药放置不同位置时容器的抗爆性能和冲击端头的飞行角度,并以限制罐体运动为目的,对罐体轴向受力进行了分析。研究表明:爆炸物位于轴线... 详细信息

研究了不同位置炸药爆炸作用下钛合金定向泄爆容器的冲击响应。通过试验与数值模拟,分析了100 g TNT炸药放置不同位置时容器的抗爆性能和冲击端头的飞行角度,并以限制罐体运动为目的,对罐体轴向受力进行了分析。研究表明:爆炸物位于轴线时,罐体产生弹性形变;紧贴内壁中间位置时,罐体外壁鼓包并贯穿开裂;紧贴内壁近端头处时,罐体外壁凸起。100 g TNT炸药作用下,冲击端头出口速度均值为124.45 m/s、最大偏角为2.3°,且爆炸物位置对端头出口速度影响较小。爆炸物位于轴线前、后端时,轴向力较爆炸物位于轴线中心时分别增大173%和116%。该研究可为民机定向泄爆容器及连接结构设计提供参考。

关键词：冲击动力学最小风险炸弹位置 Ti-6Al-4V合金定向泄爆容器

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硅基自旋光电子学太赫兹辐射源特性

物理学报 2024年第16期73卷 190-198页

作者：程宏阳马倩茹徐浩然张慧萍金钻明何为彭滟上海理工大学太赫兹技术创新研究院上海市现代光学系统重点实验室光学仪器与系统教育部工程中心太赫兹光谱与影像技术协同创新中心上海200093 同济大学上海智能科学与技术研究院上海200092 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室北京100190

将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤.自旋光电子学太赫兹辐射源,通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成,在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射.本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta... 详细信息

将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤.自旋光电子学太赫兹辐射源,通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成,在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射.本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta/CoFeB/Ir铁磁/非磁性金属异质结中实现了高效、宽带的太赫兹相干脉冲辐射.首先,Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹脉冲的极性随外加磁场的反转而反转,太赫兹辐射的物理机制可以归结为超快自旋流-电荷流转换.其次,通过改变抽运激光的激发能量密度,研究了Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹辐射饱和现象.此外,通过研究Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹发射特性随Ir层厚度的依赖关系,不仅优化了器件的辐射强度,而且获得了Ir层在太赫兹频率下的自旋扩散长度(~(0.59±0.12)nm).该值小于通过自旋抽运技术获得的GHz频率下的自旋扩散长度(1.34 nm),表明不同频率范围对应于不同的电子输运机理.

关键词：宽带太赫兹辐射铁磁异质结逆自旋霍尔效应自旋扩散长度