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一种简化的DGTD阻抗边界算法
杨谦, 魏兵, 李林茜, 邓浩川, 等
摘要 +
本文针对时域非连续伽略金算法(discontinuous Galerkin time-domain,DGTD)中的阻抗边界条件问题开展研究。阻抗边界条件中的频域算符jw一般在根号内部,其在时域数值算法中的实现有一定难度。另一方面,DGTD算法中数值通量表达式也含有阻抗边界条件,这也进一步增加了频时转换难度。为了能给出简化的DGTD阻抗边界算法,本文首先针对数值通量表达式进行推导,得到一个特定函数R,该函数包含频域算符jw,函数以外表达式不含频域算符jw,这样就可以仅处理R的频时转换问题。由于R形式复杂,对R进行矢量匹配(vector-fitting,VF)处理,得到关于jw的一阶有理分式,进而得到其时域迭代式。这一过程简明、易于实施,还可避开矩阵计算。本文方案经一维及三维算例验证,精度很好,针对特定电磁问题如涂覆层问题可大幅降低计算时间。
外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性
赵豪, 吴志豪, 胡晓红, 凡凤仙, 苏明旭, 等
摘要 +
外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果。本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡洛方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气液固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟。将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性。在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律。结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升。外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增加,而增幅趋于减小。研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导。
空化场中大气泡对空化泡振动的抑制效应分析
黄晨阳, 李凡, 田华, 胡静, 陈时, 王成会, 郭建中, 莫润阳, 等
摘要 +
为了探究空化场中多气泡之间的相互作用,本文结合观察到的注入的大气泡周围飞舞的小气泡的实验现象,构建了由两个大气泡和一个空化泡组成的三气泡系统,通过考虑气泡间相互作用的时间延迟效应以及大泡的非球形振动,得到修正的气泡动力学方程组,并数值分析了气泡的振动模态、平衡半径、声波压力与频率等参量对小空化气泡的振动行为与所受次级Bjerknes力的影响.结果表明,大气泡的非球形效应主要表现为一种近场效应,对空化泡的振动影响很小,几乎可以忽略不计.大气泡可抑制空化泡的振动,但当大气泡接近于共振半径时,空化泡振动幅值曲线出现共振峰,即存在耦合共振响应.大气泡半径越大,对空化泡抑制作用越强,当空化泡处在两个毫米级大气泡附近时抑制更加显著.声波压力与频率不仅直接影响气泡的振动,还影响空化泡与大气泡之间相互作用的强弱,表现为空化泡所受的次级Bjerknes力在特定的大气泡半径范围内变得对气泡尺寸变化较为敏感,即小的大气泡半径变化可能导致明显的力大小变化,且不同驱动频率下,空化泡所受次级Bjerknes力的敏感半径分布区间不同.空化泡受到的次级Bjerknes力在距离较近或者较远时均可能表现为斥力,与实验观察现象一致.随着声波压力的增加,气泡间距影响下的力响应模式可能不同,甚至可能出现在特定距离内因声反常吸收而导致的作用力减弱现象.
Peltier系数的稳态法和瞬态法测量
陈树权, 王剑, 杨振, 朱璨, 罗丰, 祝鑫强, 徐峰, 王嘉赋, 张艳, 刘虹霞, 孙志刚, 等
摘要 +
在热电效应的研究中,Kelvin关系建立了Seebeck系数与Peltier系数之间的桥梁,它将热电材料的制冷与发电性能纳入了统一的评价体系,并且大大简化了热电性能测量的过程。然而非线性Peltier效应的理论研究以及部分实验研究表明,Seebeck系数与Peltier系数之间不一定满足Kelvin关系。Peltier系数的精确测量是验证Kelvin关系以及研究非线性Peltier效应的基础,但目前其实验研究较少。本文基于低温电输运测试平台搭建一种采用悬臂梁结构的Peltier系数测量装置。通过测量通电后Bi2Te3块体样品表面沿热流方向相邻两点的温差,得到通电前后的稳态温差以及通电过程中温差随时间的瞬态变化的曲线,利用稳态法和瞬态法分别得到Peltier系数。通过测量,我们不仅仅可以得到材料的Peltier系数,还能得到测量接触点的界面电阻等信息。研究表明,在各温度下,稳态法和瞬态法测量的Peltier系数是可以相互印证的,验证了本实验中测量装置和方法的可靠性。碲化铋样品Peltier系数的测量值与Kelvin关系式计算的理论值随温度的变化趋势是一致的,测量值比理论值大~20%。
自由场中大尺寸有源微穿孔板吸声器的低频吸声性能研究
王蕾, 马玺越, 陈克安, 刘韬, 等
摘要 +
大尺寸有源微穿孔板吸声器的低频吸声性能依赖于入射声场环境,故在现有管道声场的研究基础上,探究了其在自由场环境中的有源吸声性能。首先,引入随位置变化的声压反射系数表征非局部反应表面在垂直入射平面波激励下的反射声场,并结合模态分析法建立理论模型。其次,从空腔声模态对入射波的反射作用及对声吸收的贡献度揭示了自由场中有源吸声的物理机制,构建了误差传感策略。最后,实验验证了理论模型与所获结论的正确性。研究表明,入射波激励起的(0,0,0)空腔声模态,其幅值越大对入射波的反射作用越强。控制源抑制该声模态并使其幅值降到最优值时,它不再反射并会大幅吸收入射波,低频吸声性能显著提升。但控制源激发的高阶空腔声模态对入射波起完全反射作用,将阻碍控制性能的提升。故相比于管道声场,自由场中的有源吸声性能有所减弱。控制源在抑制(0,0,0)声模态的同时能确保不大幅激起高阶声模态时,声压释放和阻抗匹配传感策略对自由场环境仍然适用。
生长在Cd(0001)和Bi(111)上的二氰基蒽分子薄膜的对比研究
张玉峰, 卢尧臣, 白萌萌, 李佐, 石明霞, 杨孝天, 杨达晓, 陶敏龙, 孙凯, 王俊忠, 等
摘要 +
分子与衬底之间的相互作用在有机薄膜的生长过程中起着非常重要的作用.对于金属衬底和半金属衬底来说,由于不同的电子结构,二者与分子薄膜之间的相互作用会有明显的差异.本文利用扫描隧道显微镜(STM)对比研究了二氰基蒽(DCA)分子在金属衬底Cd(0001)和半金属衬底Bi(111)上的薄膜生长.实验发现,在Cd(0001)衬底上,低温沉积的DCA薄膜表现出三维生长模式,而室温沉积的DCA薄膜表现出二维生长模式.特别是DCA分子单层具有斜方对称的4×Ö13公度结构,表明DCA与Cd(0001)之间存在较强的相互作用.与此形成鲜明对比的是,在半金属Bi(111)衬底上,低温沉积的DCA薄膜表现出二维生长模式,在分子单层中有莫尔条纹出现,表明DCA单层是一种非公度结构,DCA与Bi(111)之间的相互作用较弱.通过上述的对比研究可以看出,衬底材料的电子结构和沉积温度均可影响DCA分子薄膜的结构和生长模式.
相移光纤光栅水听器的超声波传感指向特性
安秉文, 陈家熠, 李斐然, 李子琪, 吴先梅, 等
摘要 +
π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度,近年来成为了超声传感领域的研究热点。本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性。选取π相移光纤光栅作为超声传感单元,先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变,再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移。将角度-频率空间分为三个区域,计算了声波频率在1MHz-10MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性,并开展了实验研究。结果表明,理论和实验结果具有较高的一致性,π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大,随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加π相移光纤光栅的声响应先急剧下降,后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值。此外,π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低。本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义。
采用镓掺杂的具有低泄漏电流和高稳定性避雷器氧化锌压敏电阻
刘冬季, 马圆圆, 何金柏, 王昊, 周远翔, 孙冠岳, 赵洪峰, 等
摘要 +
电力系统中电力设备的绝缘水平是建立在以氧化锌阀片为代表的金属氧化物避雷器的过电压保护水平之上,由于ZnO压敏电阻具有优越的非线性电压-电流特性和浪涌能量吸收能力,从而被广泛用作电力系统避雷器的核心元件。而ZnO压敏电阻的电气特性的优劣由其复杂的微观结构和晶界特性决定。因此,电网设备绝缘水平的进一步提高,需要通过掺杂来进一步的改善ZnO压敏电阻的晶界特性来达到目的。为了获得性能更为稳定的ZnO压敏电阻,研究了含有镓掺杂的ZnO压敏电阻的稳定特性。对所获得的实验样品的微观结构和电气特性进行了电子显微镜扫描测试、电压-电流非线性特性测试、电容-电压特性测试、X-射线衍射谱测试、能谱扫描测试、介质损耗测试及交流加速老化测试。实验结果表明,随着镓掺杂量的进一步增加,镓离子占据了氧化锌晶格上的空位,增加了界面态密度,提高了肖特基势垒高度,一方面降低了ZnO压敏电阻的泄漏电流密度,另一方面抑制了耗尽层中自由电子的迁移,提高了ZnO压敏电阻在高荷电率环境下的稳定特性。铝离子固溶到ZnO晶格当中,产生大量的自由电子,降低了ZnO晶粒的电阻率,从而可以有效降低ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比。当Ga的掺杂量达到0.6mol%时,泄漏电流密度为0.84 μA/cm2,残压比为1.97,非线性系数为66,其肖特基势垒高度为1.81eV。在115℃环境下,对试验样品施加87%E1mA、89%E1mA和91%E1mA的交流加速老化电压,老化时间为1000h,老化系数分别为0.394、0.437和0.55。此研究将有助于进一步的提高氧化锌避雷器的保护水平,实现深度限制电网过电压,提高电力系统的安全稳定性。
三体作用下准一维BEC中表面带隙孤子及其稳定性
王青青, 周玉珊, 王静, 樊小贝, 邵凯花, 赵月星, 宋燕, 石玉仁, 等
摘要 +
数值研究了具有三体相互作用的均匀介质界面和半无限雅克比椭圆正弦势下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein Condensate,BEC)中的表面带隙孤子及其稳定性.在平均场近似下,其动力学行为可用3-5次Gross-Pitaevskii方程描述.首先用牛顿-共轭梯度法寻找表面带隙孤子,发现表面亮孤子仅当化学势小于0时才可于带隙内激发,但表面扭结孤子和气泡孤子既可存在于带隙中也可存在于能带中.然后采用线性稳定性分析和非线性动力学演化研究了孤子的稳定性,结果表明三体相互作用会明显影响表面亮孤子的稳定性,表面扭结孤子既有稳定的也有不稳定的,但表面气泡孤子均不稳定.
六氟化硫分子的10.6μm高分辨射流冷却激光吸收光谱
袁洪瑞, 刘涛, 朱天鑫, 刘云, 李响, 陈杨, 段传喜, 等
摘要 +
六氟化硫(SF6)是一种长寿命的温室气体,其红外吸收光谱对模拟大气辐射平衡非常重要。SF6也是研究激光分离同位素原理和技术的典型体系之一。由于六氟化硫分子较重,其室温下的红外光谱非常密集,给利用吸收光谱技术监测不同SF6同位素分子的相对浓度带来很大困难。本文利用超声射流冷却和像散型多程吸收池技术,测量了32SF633SF6同位素分子在10.6μm波段的高分辨红外激光吸收光谱。处于振动基态的32SF633SF6分子在狭缝型超声射流中的转动温度约为10K,谱线线宽约为0.0008cm-1。在此条件下我们观测到了SF6一个新的热带,其Q支的位置在941.0cm-1附近。我们将其初步归属为32SF6v1+v2+v3-(v1+v2)带,对该热带进行了简化的转动分析,并讨论了利用该热带和33SF6v3基频带进行33SF6/32SF6的相对浓度监测的可行性。
基于戟形人工表面等离激元的紧凑型宽带外抑制带通滤波器
孙淑鹏, 程用志, 罗辉, 陈浮, 李享成, 等
摘要 +
本文提出了一种基于戟形人工表面等离激元(Spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)的具有宽频带外抑制特性的紧凑型宽带带通滤波器.设计的滤波结构是通过在基板底层蚀刻周期性的戟形槽和在顶层加载带有月牙形贴片的微带到槽线过渡结构实现的.与传统的I形SSPPs相比,戟形SSPPs具有更好的慢波特性,基于戟形SSPPs设计的带通滤波器可以实现更紧凑的结构.设计的滤波器通带的上下截止频率可以分别通过调整SSPPs结构和微带到槽线过渡结构来调节.仿真结果表明,宽带带通滤波器中心频率为2.85GHz,相对带宽为130%,通带内的回波损耗优于-10dB,在5.6GHz到20GHz之间具有极强的-40dB带外抑制.设计的宽带带通滤波器结构尺寸紧凑,仅为1.08λg×0.39λg,其中λg是中心频率处的波长.为了验证宽带带通滤波器的有效性,采用传统的印刷电路板技术加工了宽带带通滤波器.测量结果与仿真结果吻合较好,验证了设计的可行性.本文所提出的宽带带通滤波器显示了在微波频率下开发SSPPs功能器件和电路的良好前景.
自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚系统的孤子解
李新月, 祁娟娟, 赵敦, 刘伍明, 等
摘要 +
研究了描述一维自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚体的Gross-Pitaevskii方程的精确求解,利用直接假设及可积约化方法,给出了系统多种类型的孤子解,讨论了相应的孤子动力学以及自旋-轨道耦合效应对系统的量子磁化和自旋-极化态的影响
类比BTZ黑洞的辐射屏蔽
张鸿宾, 陈玲, 张保成, 等
摘要 +
虽然类比引力(analogue gravity)的理论表明我们可以使用实验室的物理系统模拟黑洞的时空结构,但是旋转黑洞的结构很难在实验室体系中找到较好的对应。在这个文章中我们使用特设的涡旋光,理论上找到一种接近Bañados-Teitelboim-Zaneli(BTZ)黑洞的类比结构。我们通过计算无质量粒子和声波在类比BTZ黑洞和引力的BTZ黑洞时空中的运动比较它们的异同。两种黑洞时空无质量粒子和声波的有效势能给出相同的能量和角动量的辐射禁区分布。不同的是,BTZ黑洞经典禁区沿径向将趋近一固定角动量值,而类比BTZ黑洞的经典禁区沿径向将闭合。幸运的是,在视界和能层附近,无质量粒子和声波的运动行为几乎一致,从这个角度,我们可以说类比实验体系能够很好的模拟BTZ黑洞。特别的,在两种黑洞时空下低能量高角动量的粒子的经典禁区都更宽。
梯度优化物理信息神经网络(GOPINNs):求解复杂非线性问题的深度学习方法
田十方, 李彪, 等
摘要 +
近年来,物理信息神经网络(PINNs)因其仅通过少量数据就能快速获得高精度的数据驱动解而受到越来越多的关注。然而,尽管该模型在部分非线性问题中有着很好的结果,但它还是有一些不足的地方,例如它的不平衡的反向传播梯度计算导致模型训练期间梯度值剧烈振荡,这容易导致预测精度不稳定。基于此,我们通过梯度统计平衡了模型训练期间损失函数中不同项之间的相互作用,提出了一种梯度优化物理信息神经网络(GOPINNs),该网络结构对梯度波动更具鲁棒性。然后我们以Camassa-Holm(CH)方程、导数非线性薛定谔方程为例,利用GOPINNs模拟了CH方程的peakon解和导数非线性薛定谔方程的有理波解、怪波解。数值结果表明,GOPINNs可以有效地平滑计算过程中损失函数的梯度,并获得了比原始PINNs精度更高的解。总之,我们的工作为优化神经网络的学习性能提供了新的见解,并在求解复杂的CH方程和导数非线性薛定谔方程时用时更少,节约了三分之一多的时间,并且将预测精度提高了将近10倍。
在超强磁场中修正的相对论电子压强
董爱军, 高志福, 杨晓峰, 王娜, 刘畅, 彭秋和, 等
摘要 +
当前脉冲星领域一个重要的研究热点是磁星. 本文在朱翠等(Zhu C, Gao Z F, Li X D, Wang N, Yuan J P, Peng Q H 2016 Mod. Phys. Lett A 31 1650070)的工作基础上, 重新研究了磁星超强磁场下($B\gg B$cr, Bcr是电子的量子临界磁场)电子朗道能级的稳定性及其对电子压强的影响. 首先, 对弱磁场极限下($B\ll B$cr) 中子星内部电子压强进行必要的回顾; 然后, 通过引入电子朗道能级稳定性系数gv和Dirac-δ函数, 推导出在超强磁场下修正的相对论电子压强Pe的表达式, 给出表达式适用条件: 物质密度ρ ≥ 107 g·cm–3BcrB < 1017 G (1 G = 10–4 T). 超强磁场通过修正相对论电子的相空间, 提高了电子数密度ne, 而ne的增加意味着Pe的增加. 利用修正的电子压强表达式, 讨论了超强磁场下费米子自旋极化现象、电子磁化现象以及超强磁场对物态方程的修正. 最后, 本文的结果与其他类似工作进行对比, 并对未来的工作进行展望. 本文的研究将为磁星以及强磁化白矮星的物态方程和热演化的探索提供极有价值的参考, 将为普通射电脉冲星等离子磁层数值模拟、高磁场脉冲星辐射机制等相关研究提供有用的信息.
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