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孔洞增长层裂模型的改进及其在模拟不同加载波形层裂实验结果方面的应用

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爆炸与冲击 2024年第5期44卷 48-53页

作者：张凤国王裴王言金胡建波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流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室四川绵阳621999

冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的... 详细信息

冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程,在层裂损伤物理模型研究方面,目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少,主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型,通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系,给出了模型初始损伤参数的计算方法,有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线,同时,计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外,还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联,以及其对自由面速度曲线的影响。

关键词：冲击加载波形层裂损伤自由面速度数值分析

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强度调制宽带激光对受激拉曼散射动理学爆发的抑制

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物理学报 2024年第5期73卷 228-236页

作者：刘庆康张旭蔡洪波张恩浩高妍琦朱少平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 北京计算科学研究中心北京100088 上海激光等离子体研究所上海201899

激光等离子体不稳定性是困扰惯性约束聚变的难题之一.宽带激光作为抑制激光等离子体不稳定性的有效手段,近年来受到广泛关注.然而,宽带激光在动理学区域驱动的受激拉曼散射等高频不稳定性存在非线性爆发,使抑制效果不及预期.本文提出一... 详细信息

激光等离子体不稳定性是困扰惯性约束聚变的难题之一.宽带激光作为抑制激光等离子体不稳定性的有效手段,近年来受到广泛关注.然而,宽带激光在动理学区域驱动的受激拉曼散射等高频不稳定性存在非线性爆发,使抑制效果不及预期.本文提出一种外加强度调制的宽带激光模型.通过选择适当的强度调制包络,能够打断背散光在强脉冲中的放大过程,降低高强度脉冲诱发剧烈爆发的概率,并大幅减少背散光份额和热电子产额.数值模拟表明,强度调制激光对受激拉曼散射具有较好的抑制能力.对于平均功率为1.0×10^(15)W/cm^(2),带宽为0.6%的二倍频宽带激光,使用强度调制技术后,反射率下降了1个数量级,20 keV以上热电子能量份额也由7.34%下降至0.31%.上述研究证实了使用强度调制宽带激光抑制高频不稳定性的可行性,并有望为后续宽带激光驱动聚变实验设计提供参考.

关键词：惯性约束聚变动理学效应宽带激光受激拉曼散射

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基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法

物理学报 2024年第7期73卷 114-123页

作者：马锐垚王鑫李树勇珩上官丹骅北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中物院高性能数值模拟软件中心北京100088

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... 详细信息

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%.

关键词：蒙特卡罗方法神经网络粒子输运重要性原理

扩散方程的Picard与迎风型Newton自适应组合迭代算法

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中国科学:数学 2024年

作者：袁光伟杭旭登北京应用物理与计算数学研究所

Picard迭代与Newton迭代是求解非线性扩散方程常用的非线性迭代方法.将非线性扩散方程先进行Newton线性化,形成一个线性对流扩散方程,再将其扩散项进行中心型离散,对流项进行迎风离散,即可得到所谓的迎风型Newton迭代方法.本文的一个创... 详细信息

Picard迭代与Newton迭代是求解非线性扩散方程常用的非线性迭代方法.将非线性扩散方程先进行Newton线性化,形成一个线性对流扩散方程,再将其扩散项进行中心型离散,对流项进行迎风离散,即可得到所谓的迎风型Newton迭代方法.本文的一个创新点是,给出Picard与迎风型Newton自适应组合的迭代算法.该算法初始采用大范围整体收敛的Picard迭代,而在局部依据每条网格单元边上迭代变差的大小,实现Picard迭代与迎风型Newton迭代之间自动切换,避免了传统的线搜索等耗时且复杂的技术.本文的另一个创新点是,证明迎风型Newton迭代方法的收敛性.其中一个有意义的推论是,如果某一步迭代解具有一阶精度,则迎风型Newton迭代给出的下一步迭代解即可达到二阶精度.数值算例验证了新的自适应组合迭代算法兼顾高效和健壮,与常用的Picard迭代和Newton迭代算法相比,新算法在计算速度上也具有明显的优势.

关键词：自适应组合迭代算法 Picard迭代迎风Newton迭代非线性扩散方程

放电等离子体粒子云网格蒙特卡罗模拟的分层级验证方法

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强激光与粒子束 2024年第3期36卷 4-12页

作者：尚天博杨薇宋萌萌周前红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部北京100088

当前,科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段,其验证方法具有显著不同的特点:第一,PIC仿真除了在时间和空间上进行离散,还需要对粒子数权重进... 详细信息

当前,科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段,其验证方法具有显著不同的特点:第一,PIC仿真除了在时间和空间上进行离散,还需要对粒子数权重进行离散;第二,离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量;第三,粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外,当PIC方法与蒙特卡罗(MC)方法耦合时,离散误差和随机误差通常叠加在一起,理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试;然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估;最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。

关键词： PIC方法验证技术精度阶测试放电模拟

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神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

强激光与粒子束 2024年第4期36卷 173-179页

作者：孙会芳易涛董志伟周海京张玲玉余波刘品阳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研究中心四川绵阳621900

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T... 详细信息

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

关键词：系统电磁脉冲蒙特卡罗方法全电磁粒子模拟方法 X射线

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颠覆性技术多元投入机制研究

中国科学院院刊 2024年第5期39卷 917-932页

作者：展咪咪彭现科曹晓阳胡晓棉中国工程科技创新战略研究院北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

颠覆性技术是推动人类发展和产业变革的关键力量,世界各国都高度重视,纷纷进行相关战略规划和部署,期望占领技术创新的制高点。作为资源集聚的有效方式,颠覆性技术多元投入机制的构建逐渐上升为国家的战略需求,相关研究也日益得到国家... 详细信息

颠覆性技术是推动人类发展和产业变革的关键力量,世界各国都高度重视,纷纷进行相关战略规划和部署,期望占领技术创新的制高点。作为资源集聚的有效方式,颠覆性技术多元投入机制的构建逐渐上升为国家的战略需求,相关研究也日益得到国家的重视。文章首次以创新过程视角开展颠覆性技术多元投入机制研究。从创新理论出发,深入创新过程,系统分析了技术成长特性,明确了颠覆性技术多元投入机制内涵,并以案例研究为支撑,解析投入实践,总结投入模式,链接创新机理,实现了从创新机理到创新实践的颠覆性技术多元投入机制的系统构建。

关键词：颠覆性技术颠覆性创新多元投入机制

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基于NPTS的低能光子/电子耦合输运模拟功能的开发

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计算物理 2024年

作者：穆子承张华阳衷斌傅学东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

本文从低能光子/电子输运理论出发，基于ENDF/B-VI.8数据库中的低能光子/电子输运相关数据，从亚壳层角度模拟了光电效应过程，并考虑了原子弛豫物理过程，同时添加了发生原子弛豫亚壳层抽样过程，进一步完善了低能光子输运蒙特卡罗模... 详细信息

本文从低能光子/电子输运理论出发，基于ENDF/B-VI.8数据库中的低能光子/电子输运相关数据，从亚壳层角度模拟了光电效应过程，并考虑了原子弛豫物理过程，同时添加了发生原子弛豫亚壳层抽样过程，进一步完善了低能光子输运蒙特卡罗模拟过程。针对低能电子采用单事件输运模拟方法，添加了激发、弹性散射、电离、轫致辐射四种相互作用过程，将NPTS程序光子/电子耦合输运模拟能量范围下限从1keV拓展至15eV以下。通过与JMCT程序进行典型模型的通量能谱和空间分布谱对比对NPTS程序进行正确性考核，基于3σ原则进行偏差检验。检验结果表明NPTS程序的计算结果与JMCT程序在不确定度范围内一致，验证了NPTS程序低能光子/电子耦合输运模拟功能的正确性。

关键词：光子/电子输运原子弛豫单事件方法蒙特卡罗模拟

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基于深度学习的扩散方程扩散系数反问题求解

计算物理 2024年

作者：张延庆谷同祥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

聚焦于扩散方程的扩散系数反演问题。针对固定系数、各向异性系数、空间依赖系数、时空依赖系数以及非线性扩散系数等问题展开了系统研究，提出了求解各类问题所需的网络结构及求解方法。数值实验表明，PINN 方法在求解扩散系数反问题... 详细信息

聚焦于扩散方程的扩散系数反演问题。针对固定系数、各向异性系数、空间依赖系数、时空依赖系数以及非线性扩散系数等问题展开了系统研究，提出了求解各类问题所需的网络结构及求解方法。数值实验表明，PINN 方法在求解扩散系数反问题时只需较少的数据即可反演出较为精确的未知系数，并在一定噪声水平下表现出较强的稳健性。

关键词：物理信息神经网络微分方程反问题扩散方程数值解