三维可压大气中重力波波包非线性传播的数值模拟

采用全隐Euler格式(FICE)对重力波波包在风场中的三维非线性传播进行了数值模拟, 给出了重力波波包三维非线性传播的全过程, 分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响. 结果表明: 二维全隐Euler格式能够推广到三维情况下使用, 并能保持计算的长期稳定; 波振幅的增长比线性条件下的指数增长要快, 非线性传播使水平扰动速度大幅度增长, 会导致局地背景风场的增强; 波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果, 非线性效应导致了重力波传播特性的改变；风场会改变重力波传播的路径和速度.     

重力波波包在临界层附近的传播

应用二维可压大气线性与全非线性数值模型, 模拟了重力波波包在临界层附近的传播. 对线性传播的波包来说, 临界层相互作用与线性理论描述非常一致. 大初始振幅尽管会使对流不稳定条件在传播过程中得到满足, 但波包并不会因此变得不稳定. 在无风背景中, 重力波波包的位能和动能可以自由转化. 在进入切变风场后, 在线性传播中这种转化将立即停止; 而非线性传播过程中该转化仍将继续. 非线性作用显著改变了背景平均流, 减小了波包的动量和能量传输速度, 降低了临界层高度; 并使得波包的部分区域变得不稳定, 破碎成更小尺度运动. 波破碎首先消耗动能. 在破碎发展到一定程度后, 位能也开始损耗. 这表明, 是剪切不稳定首先导致了波破碎的发生.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

正则扰动下周期时变系数矩阵Sylvester表示的振荡器相位噪声分析方法

振荡器的相位噪声分析是通过扰动自激大信号状态方程, 导出周期时变小信号状态方程进行的. 在振荡器的时域稳态解上应用传统的正则扰动方法, 对周期时变系数Jacobi矩阵按照Sylvester定理进行分解, 在它的周期向量构成的空间上, 分析振荡器在扰动下能保持周期稳态的条件; 注入表示白噪声的频域伪正弦信号和时域δ相关信号, 应用随机微分方法, 揭示相位噪声的产生过程, 计算相位抖动; 应用调频的原理分析幂律谱和Lorentz谱的形成以及它们之间的关系, 并获得包含谐波的Lorentz功率谱. 以周期系数Jacobi矩阵为基础, 构造简单的计算Floquet指数和相位噪声的算法流程并给出简单实例. 最后指出振荡器相位噪声分析的难点和发展方向.     

一种模拟弹性波在层状地基中传播的简化高阶双渐近透射边界

在强烈地震作用下,层状地基与结构之间的动力相互作用将对结构的动力响应产生重大影响,其难点是模拟波动在无限层状地基中传播引起的辐射阻尼效应.基于比例边界有限单元法(SBFEM)构建的层状介质标量波高阶双渐近透射边界能够在全频范围内快速收敛到准确解,具有很高的计算精度和计算效率,并且具有良好的数值稳定性.以二维水平等高层状地基为研究对象,将弹性动力学方程强行解耦得到两个独立的标量波方程,基于解耦的标量波方程构建了一种层状地基弹性波传播模拟的简化高阶双渐近透射边界.同标量波高阶双渐近透射边界一样,该透射边界具有良好的计算性能.数值算例结果表明,该透射边界对底部为固定边界条件的水平层状地基具有良好的模拟精度.     

大气折射的研究进展

介绍了近几年大气折射映射函数研究的进展、以及几个常用的映射函数。对如今广泛地应用在空间测量技术中的几种映射函数做出评述。讨论了目前在无线电波段中广泛使用的NMF模型的优点和不足之处,提出了改进方向。列出了近几年上海天文台发展的大气折射母函数方法,以及由此导出的大气折射解析解;并分析了大气折射母函数方法引出的大气延迟新连分式映射函数,以及天文大气折射的映射函数方法的优点;指出了光学波段测距精度改进的途径。结合探空气球资料,讨论了大气模式对大气折射计算的影响。     

高k栅MOSFET栅–源/漏寄生电容的半解析模型

文章针对高k栅MOSFET的栅介质层及其侧壁掩蔽层提出了一个二维定解问题,求出了二维电势和电荷分布.文章根据栅极电荷与栅源及栅漏电压关系,提出了MOSFET的栅极和源极/漏极之间的寄生电容的模型,用半解析法计算了这些寄生电容,得到了寄生电容与几何尺寸之间的关系.文章的计算结果表明改变栅极电介质常数可以得到一个寄生电容的最小值,计算结果与CST仿真结果能够很好地符合.     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

基于二维导频的OFDM系统信道估计算法研究

提出了基于一种离散傅立叶变换与一维维纳滤波联合的信道估计算法,相比线性内插与一维维纳滤波联合的估计算法仅利用相邻导频获得导频间信道估计,该算法通过插入二维导频对数据分块,利用每个分块的接收数据进行信道估计,从而提高了信道估计的性能.与二维维纳滤波算法相比,该算法在估计性能接近的情况下,计算复杂度大大降低.     

二维AR模型的改进及在钢板表面形貌仿真中的应用

二维ＡＲ模型的参数估计中,由于对应的二维Ｙｕｌｅ－Ｗａｌｋｅｒ方程不具备唯一性和可辩识性,使得二维ＡＲ模型的定阶计算和参数估计一直是一个非常困难的问题。提出了一种二维ＡＲ模型的初步定阶方法,并在此基础上给出了一个ＡＲ模型参数估计的改进算法。利用所改进的参数估计算法对不同汽车钢板表面形貌进行了ＡＲ建模的仿真计算,并取得了较好的仿真结果。     

宽频段空间信号频率、二维到达角和极化联合估计

在宽频段情况下,利用两个非均匀线阵组成的L型阵列,提出了一种基于ESPRIT和整数搜索解模糊算法的多个独立空间信号频率、二维到达角和极化的联合估计算法. L型阵列由与坐标轴方向平行的偶极子对组成. 数值模拟结果证实了这种方法的有效性.     

程序数值误差的扰动检测与优化

很多用于关键领域的数值计算程序使用浮点数格式作为数据的内部表示,但由于浮点数在表示上存在误差,这类程序的正确性很难得到完全的保障.本文提出了一种自动的检测途径来帮助应用程序的开发人员获得他们所写代码的稳定性信息.它通过两种具体的扰动技术——数值扰动与算式扰动,来扰动底层的数值量和计算步骤,统计扰动下的运算差异,并最终评估数值计算代码的稳定性.数值扰动随机动态地改变程序数值的有效数字尾数,通过模拟误差的引入来观测程序的计算结果是否稳定;而算式扰动针对程序中算术表达式的计算过程,通过程序变换方法,将其转换成在实数域等价,但语法上不同的形式,然后以这些算式在浮点数下执行结果的差异来判断数值计算过程的稳定性.更进一步,本文使用了并行扰动算法和蒙特卡罗（Monte Carlo）方法来提高扰动技术的处理规模.当用户的硬件资源较丰富时,扰动技术将利用并行算法来提高运行效率;而当硬件资源不足时,蒙特卡罗方法也能在较短时间内得到一个可以接受的结果.我们对本文所提出的技术做了实现,并对文献中采用的一系列数值程序和GNU科学计算库（GSL）做了评估,评估结果显示,本文为数值计算稳定性的自动测试提供了一种实用技术.     

2003年10月两次特大太阳风暴的预报试验

针对2003年10月28日和29日的两次特大太阳风暴(激波)事件, 提出一种把空间天气形势分析—“望诊”与定量预报—“切脉”相结合的二步法, 进行预报试验. 第一步, “望诊”, 太阳源表面磁场分布、行星际闪烁观测资料和ACE卫星观测的联合分析表明, 源表面的大尺度磁位形造成了激波相对于爆发源法向非对称传播, 地球处在接近激波传播最快、能量最大的方向上; 这两次激波是高速抛射事件, 强磁场、高温的日冕物质快速膨胀以及高速的背景太阳风都有利于激波的快速传播. 第二步, “切脉”, 采用新建立的快激波渡越时间的从属函数mT于ISF方法中, 对其渡越时间和引起的地磁扰动进行了预报试验. 预报试验结果是: 两次激波事件磁扰开始时间的预报值与观测值相比较, 相对误差分别为1.8%和6.7%; 磁扰幅度ΣKp指数的预报相对误差分别为4.1%和3.1%; 此外, 比较二步法与国际流行的五种统计或数值预报方法, 结果表明, 二步法有利于改善预测太阳风暴到达时间及其引起的地磁扰动幅度大小的能力. 工作表明, 深入研究激波传播的物理特性, 对于提高预报精度是极为重要的.     

超声固体测温中的二维温度场重建算法研究

高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础.     

CBERS-02卫星CCD相机MTF在轨测量及图像MTF补偿

针对CBERS-02星CCD相机,提出模拟理想靶标场景进行在轨MTF监测.比较分析了该方法与目前常用的几种MTF在轨测量方法测量结果的差异.基于不同方法测得的MTF,采用迭代法、维纳滤波法及修正的逆滤波器法(MIF)对CCD图像进行了MTF补偿.在MTF补偿中,根据实测45度方向0.5频率处的MTF值插值建立二维MTF矩阵.详细比较分析了常规MTF与改进插值MTF矩阵、3种不同补偿方法以及不同在轨MTF测量法对CCD图像的恢复效果,结果说明模拟理想靶标场景法是一种简单有效的在轨MTF测量法,恢复后图像的DN值更接近真实地物,而点源法与边缘法受噪声影响大,测得的MTF很低,恢复效果不好;3种不同MTF补偿模式的比较显示MIF法对CCD图像的复原效果最佳;研究还说明对于CCD传感器改进的插值二维MTF优于常规的二维MTF.该研究为CCD图像质量的改善具有重要的指导意义.     

不同阳离子基蒙脱石吸附水分子的分子动力学模拟分析

利用分子力学和分子动力学方法,在Materials Studio软件中建立锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石模型,吸附1632,48,64,80,96个水分子后,进行几何优化得到最佳构型,分析了结构的几何优化对系统能量变化的影响.进一步开展分子动力学模拟,研究4种不同层间阳离子对蒙脱石吸水膨胀性能的影响.优化后阳离子向类质同象代换位置靠近,最初的规则排列结构改变,优化后分子结构的能量也发生较大的变化,系统的能量减小,键能和非键能均减小,键能减少约占减少总能量的56%.二面角扭转能稍有增大,结构的扭曲增加,键伸缩能下降约90%.分子动力学模拟的数据结果表明随着水分子含量的增大,蒙脱石体积和层间距呈阶梯状增大,密度呈阶梯状减小,结合锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附模型中水分子浓度图谱分析,得到蒙脱石吸附的水分子能够在晶层间形成一层、二层、三层水分子层分布的形式.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附16～96个水分子的吸附模型的多个径向分布函数,模拟结果表明,不同层间阳离子中,Li~+更易水化,Na~+次之,K~+和Ca~(2+)不易水化,层间阳离子种类对蒙脱石吸附水分子的影响不同.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石一层、二层、三层水分子吸附模型中阳离子和水分子的均方位移曲线,用最小二乘法拟合直线,确定自扩散系数,对比文献中的研究成果,分析表明阳离子种类以及模拟方法、势能函数、模拟温度等外部条件对层间阳离子和水分子的扩散均有影响.分子动力学模拟结果揭示了化学试剂改良加固膨胀土的机理.     

具有自支撑结构的有机二维纳米材料研究进展

具有和石墨烯相似结构的自支撑有机二维纳米材料目前引起了科研人员的浓厚兴趣.这些二维材料具有优异的化学可剪裁性,预计未来在电子器件、有机催化和小分子分离等方面具有广泛的用途.本文首先系统地总结了常见的具有自支撑结构的有机二维纳米材料,进一步从自上而下和自下而上的两大类方法着手,介绍了目前常用的制备方法,然后对有机二维纳米材料在生物识别以及光电方面的应用进行了介绍,如生物分子识别、电子器件及荧光增强,最后讨论了目前有机二维纳米材料在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能的重点研究方向.     

槽式太阳能集热管传热损失性能的数值研究

通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热过程, 建立了槽式太阳能集热管传热损失性能计算分析的二维稳态经验模型, 模型的计算结果与试验数据基本一致, 验证了模型的有效性. 利用该二维稳态经验模型系统地研究了环境风速、温差、选择性涂层和环形空间气体压力对两种商业化槽式太阳能集热管传热损失性能的影响, 并进行了对比分析. 结果表明: 选择性涂层的性能和环形空间气体压力是影响集热管热损失的两个主要因素, 也是保持集热管热性能的关键; 环境风速对集热管热损失影响相对较小, 而工作温差对集热管热损失的影响较大; 新一代集热管在热性能上有了很大提高.     

底部加热长方体腔内空气自然对流的稳定结构及三维特性的研究

采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法对底部加热长方体腔内空气的自然对流进行了实验研究和数值计算.1）当四周壁面绝热时,腔内流体形成平行于短轴方向的多个长条状涡卷,而平行于长轴方向没有形成涡卷.当Rayleigh数较小时,腔内流动表现出明显的二维特性,沿短轴各个截面的涡卷流动基本一致,三维模型平行于短轴的各截面平均Nusselt数除了边壁处差别较大,中间大部分区域均与二维模型平均Nusselt数比较接近,腔内的空气流动在长轴方向除了边壁附近差别较大,中间大部分区域均呈现明显的二维特性,二维与三维模型计算结果一致,且与实验结果吻合.随着Rayleigh数的增加,涡卷数量与形状都会发生改变,在腔内出现多边形的涡卷,腔内的流动表现出明显的三维特性,此时采用三维模型才能取得与实验一致的计算结果.2）侧壁绝热或者传热量较小时,长高比为16时,三维模型计算得到与实验一致的结果,形成平行于短轴的10个长条状涡卷.当侧壁面有传热时,方腔内流动形成了平行于长轴方向的涡卷,并且热流方向相反时涡卷的旋转方向也相反.3）底部加热长方体腔内空气的自然对流换热,低Rayleigh数时流动和换热处于稳态,当Rayleigh数超过某一临界值时,流动和换热就会发生非线性振荡.随着Rayleigh数的增加,流动的情况基本分成四个区域：稳定区域、单倍周期区域、多倍周期区域和混沌区域.     

极光沉降粒子在极区大气中传输的数值研究

从Boltzmann方程出发，根据带电粒子在中性大气中的传输理论，综合考虑弹性散射、激发、离化以及二次电子生成等重要物理过程，用数值方法求解沉降电子传输方程，获得随高度、能量和投掷角变化的微分沉降电子数通量．在单成分（N2）大气近似条件下，模式计算结果较好地描述了沉降电子通量谱在极区高层大气中的传输规律和特性；由沉降电子微分通量计算得到的中性成分电离率主要特征与已有经验模式较好地吻合．将FAST卫星飞越EISCAT雷达上空时观测到的沉降电子能谱作为模式输入，计算获得了与由雷达观测数据反演得到的中性大气电离率相一致的结果．