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飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为 被引量:10
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作者 邵俊峰 郭劲 王挺峰 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期92-97,共6页
通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量... 通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。 展开更多
关键词 光学 飞秒激光烧蚀 双脉冲 双温方程 温度变化
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飞秒激光诱导硅表面高频周期结构 被引量:9
2
作者 李志明 王玺 +1 位作者 聂劲松 胡瑜泽 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期145-150,共6页
通过引入双温方程电子数密度模型,德鲁德模型和波纹间隔理论Λ=λ/2n軌,得到高频波纹周期具有波长依赖性的特点,分析了在辐射光通量接近损伤阈值时,高频周期波纹在一定范围内接近λ/6~λ/4,且随入射激光通量近似成正比。同时基于时域有... 通过引入双温方程电子数密度模型,德鲁德模型和波纹间隔理论Λ=λ/2n軌,得到高频波纹周期具有波长依赖性的特点,分析了在辐射光通量接近损伤阈值时,高频周期波纹在一定范围内接近λ/6~λ/4,且随入射激光通量近似成正比。同时基于时域有限差分法(FDTD)的方法对飞秒激光辐照硅表面电场分布进行数值仿真,在初始脉冲形成近波长波纹的情况下,硅表面的电场再分布使得激光能量大多沉积在凹槽边缘,产生高频周期性结构。在此基础上对初始凹槽深度和激发态下硅表面的光学性质(介电常数)进行分析,得到了形成高频周期波纹的条件。该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要的参考意义。 展开更多
关键词 双温方程 高频周期性结构 德鲁德模型 二次谐波
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超快激光加工的多尺度理论研究及耦合模型构建综述(特邀)
3
作者 王文君 潘爱飞 梅雪松 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期316-333,共18页
超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工,已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石,笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合... 超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工,已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石,笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合过程中原子尺度的理论研究,探讨了目前针对超快激光加工的多物理场跨尺度耦合模型,分析了这些模型的仿真结果及局限性,总结了超快激光加工理论模型所面临的挑战,并对未来的研究重点进行了展望。 展开更多
关键词 超快光学 超快激光 密度泛函理论 电子激发 双温方程 分子动力学 流体力学 耦合模型
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飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究 被引量:5
4
作者 李志明 王玺 聂劲松 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第10期23-30,共8页
在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得... 在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好. 展开更多
关键词 飞秒激光 非热效应 双温方程 等离子体 烧蚀轮廓
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飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究 被引量:2
5
作者 李志明 王玺 聂劲松 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第10期191-197,共7页
基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变... 基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm^2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义. 展开更多
关键词 Sipe-Drude模型 表面等离子体激元 低频率周期性波纹 双温方程
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Thermal analysis of intense femtosecond laser ablation of aluminum
6
作者 胡浩丰 吉扬 +5 位作者 胡阳 丁晓雁 刘贤文 郭静慧 王晓雷 翟宏琛 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第4期323-327,共5页
This paper numerically simulates the process of ablation of an aluminum target by an intense femtosecond laser with a fluence of 40 J/cm2 based on the two-temperature equation, and obtains the evolution of the free el... This paper numerically simulates the process of ablation of an aluminum target by an intense femtosecond laser with a fluence of 40 J/cm2 based on the two-temperature equation, and obtains the evolution of the free electron temperature and lattice temperature over a large temporal and depth range, for the first time. By investigating the temporal evolution curves of the free electron temperature and lattice temperature at three representative depths of 0, 100 nm and 500 nm, it reveals different characteristics and mechanisms of the free electron temperature evolution at different depths. The results show that, in the intense femtosecond laser ablation of aluminum, the material ablation is mainly induced by the thermal conduction of free electrons, instead of the direct absorption of the laser energy; in addition, the thermal conduction of free electrons and the coupling effect between electrons and lattice will induce the temperature of free electrons deep inside the target to experience a process from increase to decrease and finally to increase again. 展开更多
关键词 femtosecond laser ablation two-temperature equation finite difference method thermal conduction of free electrons
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激光脉冲波形对烧蚀Si靶表面温度的影响 被引量:1
7
作者 王世俊 王英龙 +4 位作者 丁学成 梁伟华 邓泽超 褚立志 傅广生 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第8期1843-1846,共4页
利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温... 利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,矩形脉冲激光烧蚀Si靶表面载流子的峰值温度最高,而高斯分布的脉冲引起靶面载流子峰值温度最低。可见,激光脉冲波形对Si靶表面载流子的温度分布具有重要影响。所得结果可为制备高质量的薄膜提供理论依据。 展开更多
关键词 激光烧蚀 双温方程 脉冲波形 载流子 耦合时间
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基于PNS方程的高超声速热化学非平衡喷管流动数值模拟
8
作者 白贺之 陈兵 徐旭 《战术导弹技术》 北大核心 2018年第4期25-31,共7页
针对高超声速飞行器在高速飞行时,高温效应对气动热、气动力等均将产生不可忽视的影响的现象,通过双温度模型的构建和单次扫描空间推进数值方法的运用,求解热化学非平衡的抛物化Navier-Stokes方程,对高焓喷管中的三维非平衡流场进行数... 针对高超声速飞行器在高速飞行时,高温效应对气动热、气动力等均将产生不可忽视的影响的现象,通过双温度模型的构建和单次扫描空间推进数值方法的运用,求解热化学非平衡的抛物化Navier-Stokes方程,对高焓喷管中的三维非平衡流场进行数值仿真,并分析了高温效应对高超声速流动的影响。计算结果给出了喷管轴线上的马赫数、平动温度和振动温度以及流动静压的曲线分布和部分参数的云图分布,并与相应的文献和试验数据进行了对比。结果表明:数值仿真计算结果与参考数据较为吻合,通过双温度模型的添加,目前的程序可以对高超声速热化学非平衡喷管流动进行较为准确的数值仿真。 展开更多
关键词 热化学非平衡 高超声速 双温度模型 PNS方程 空间推进
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多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析 被引量:8
9
作者 徐斌 伍晓宇 +3 位作者 凌世全 罗烽 杜晨林 孙秀泉 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2012年第8期171-177,共7页
通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素... 通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。 展开更多
关键词 超快光学 飞秒激光烧蚀 多脉冲 铜箔 双温模型 Richardson-Dushman方程 热电子发射
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非平衡态Ti-H等离子体发射光谱的双温度诊断研究 被引量:1
10
作者 邓春凤 卢彪 +2 位作者 伍春雷 汪一夫 温中伟 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第12期3374-3379,共6页
单次脉冲工作的真空弧离子源,采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极,生成的等离子体同时包含金属钛和氢的成分,且在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度,整个体系处于非平衡状态,不能用一个统一的温度来描述。假设由电子组成的子系... 单次脉冲工作的真空弧离子源,采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极,生成的等离子体同时包含金属钛和氢的成分,且在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度,整个体系处于非平衡状态,不能用一个统一的温度来描述。假设由电子组成的子系统和由其他重粒子组成的子系统分别达到平衡,即Ti-H等离子体由电子温度和重粒子温度两个温度来描述,为双温度等离子体。采用Culdberg-Waage解离方程和Saha电离方程分别对系统中的分子解离和原子电离过程进行描述,结合等离子体电荷准中性条件,同时引入原子发射光谱这一无干扰的等离子体诊断方法,对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行诊断。在MATLAB环境下,同时考虑金属Ti原子和一价Ti离子的电离,计算结果显示:根据谱线的斯塔克展宽确定的电子密度进行计算,除重粒子温度和氢气分子的数密度之外,其他的参数均可得到较准确的诊断结果;电子密度数值的准确性对计算结果有很大的影响;如果能够在计算之前确定重粒子温度,则可对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行准确的定量分析。 展开更多
关键词 双温度 发射光谱 Culdberg-Waage解离方程 Saha电离方程 准电中性
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含有双温非热离子的热尘埃等离子体中二维尘埃声孤波 被引量:1
11
作者 张开彪 王红艳 +1 位作者 向必纯 谢云霞 《河南师范大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2010年第5期96-99,共4页
以含有双温非热离子的无磁化热尘埃等离子体为研究对象,使用约化摄动方法得到了描述有限小振幅波动的KP方程.研究结果表明,尘埃流体的温度及两种不同温度满足非热分布的离子会严重影响和改变着尘埃声孤波的类型与结构,系统中既可能出现... 以含有双温非热离子的无磁化热尘埃等离子体为研究对象,使用约化摄动方法得到了描述有限小振幅波动的KP方程.研究结果表明,尘埃流体的温度及两种不同温度满足非热分布的离子会严重影响和改变着尘埃声孤波的类型与结构,系统中既可能出现稀疏形孤波也可能出现压缩形孤波,而且,孤波的振幅与宽度亦有明显改变. 展开更多
关键词 尘埃声孤波 双温非热离子 KP方程
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脉冲激光烧蚀中电声弛豫时间的确定 被引量:8
12
作者 胡德志 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第2期1077-1082,共6页
为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用.文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,... 为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用.文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,进而得到电声弛豫时间的准确值.这样便能准确划分热烧蚀和非平衡烧蚀,从而更好地控制激光的烧蚀过程.同时找出了电声弛豫时间随激光脉宽以及能量密度变化的规律. 展开更多
关键词 飞秒激光 电声弛豫时间 双温方程 激光能量密度
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基于硬脂酸复合相变材料的被动热沉性能 被引量:6
13
作者 赵亮 邢玉明 +2 位作者 刘鑫 罗叶刚 芮州峰 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期970-979,共10页
固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-... 固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立了石墨烯纳米片/硬脂酸复合相变材料物性,采用更为精确的双温度数值模拟方法分析了不同导热强化方式的控温效果,并研究了环境温度对热沉控温效果的影响。结果表明:高热流密度下的相变温控过程采用双温度数值模拟更为精确;当导热增强体的体积组分相同时,提高泡沫金属的孔密度对相变温控效果提升有限,而同时采用泡沫金属与石墨烯纳米片能更有效改善相变控温效果;环境温度的剧烈变化对温控时间和控温温度均能产生影响。 展开更多
关键词 被动热沉 硬脂酸 相变材料 泡沫铜 温控 双温度能量方程
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飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金机理与烧蚀区结构分析
14
作者 曹友朋 陈冰 +4 位作者 何涛 何红宇 陈志勇 朱卫华 王新林 《光电技术应用》 2017年第1期15-21,29,共8页
采用结合双温模型的分子动力学的方法,数值模拟了脉宽100 fs,能量密度为40~200 m J/cm^2的飞秒激光与CuZr非晶合金的相互作用过程。低能量密度下,靶材的烧蚀机制主要表现为机械破碎;高能量密度下,热机械蚀除和相爆炸共同存在于靶材的烧... 采用结合双温模型的分子动力学的方法,数值模拟了脉宽100 fs,能量密度为40~200 m J/cm^2的飞秒激光与CuZr非晶合金的相互作用过程。低能量密度下,靶材的烧蚀机制主要表现为机械破碎;高能量密度下,热机械蚀除和相爆炸共同存在于靶材的烧蚀过程,随着能量密度的增加,相爆炸成为主要蚀除机制。利用径向分布函数分析了CuZr非晶合金结构的无序性,分析结果表明,激光能量密度由80 m J/cm^2增加到120 m J/cm^2时,飞秒激光与靶材相互作用过程中,材料内部的原子保持着无序状态,材料未发生明显晶化。 展开更多
关键词 飞秒激光 双温方程 分子动力学 非晶合金 径向分布函数
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多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究
15
作者 胡德志 吴金随 《华北科技学院学报》 2017年第4期57-61,共5页
为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理。以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律。结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前... 为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理。以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律。结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前一个脉冲激光破坏了靶材表面的结构,使激光的反射率下降,导致后一脉冲激光烧蚀阈值大幅度下降。这解释了多脉冲飞秒激光烧蚀中烧蚀阈值不断变化的现象。同时,它表明在多脉冲飞秒激光加工过程中,我们必须考虑反射率的变化对激光烧蚀的影响才能实现高精微加工。 展开更多
关键词 双温方程 反射率 烧蚀阈值 时域有限差分法 电声弛豫时间
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二维三温能量方程的Krylov子空间迭代求解 被引量:7
16
作者 莫则尧 符尚武 《数值计算与计算机应用》 CSCD 北大核心 2003年第2期133-143,共11页
Two dimensional three temperatures energy equation is a kind of very impor-tant partial differential equation. In general, we discrete such equation with full implicit nine points stencil on Lagrange structured grid a... Two dimensional three temperatures energy equation is a kind of very impor-tant partial differential equation. In general, we discrete such equation with full implicit nine points stencil on Lagrange structured grid and generate a non-linear sparse algebraic equation including nine diagonal lines. This paper will discuss the iterative solver for such non-linear equations. We linearize the equations by fixing the coefficient matrix, and iteratively solve the linearized algebraic equation with Krylov subspace iterative method. We have applied the iterative method presented in this paper to the code Lared-Ⅰ for numerical simulation of two dimensional threetemperatures radial fluid dynamics, and have obtained efficient results. 展开更多
关键词 二维三温能量方程 KRYLOV子空间 非线性Gauss-Seidel迭代法 惯性约束聚变 LARED-I 数值模拟 稀疏矩阵
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二维三温能量方程求解MPI-OpenMP并行算法研究
17
作者 邓伟辉 宋应文 +1 位作者 刘兴平 颜卓 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2015年第5期1326-1329,共4页
二维三温能量方程的求解是惯性约束聚变(ICF)的核心问题。随着ICF问题规模的不断扩大和计算机性能的飞速提升,现有的并行算法和软件包已经不再适用。提出了二维三温能量方程的MPI-Open MP并行求解算法,该算法上层使用MPI进程进行通信,... 二维三温能量方程的求解是惯性约束聚变(ICF)的核心问题。随着ICF问题规模的不断扩大和计算机性能的飞速提升,现有的并行算法和软件包已经不再适用。提出了二维三温能量方程的MPI-Open MP并行求解算法,该算法上层使用MPI进程进行通信,下层使用Open MP多线程进行核心计算,不但能够适应大规模问题的求解,而且还表现出很好的扩展性和加速比。实验表明,算法在网格规模大小为106的实际物理模型的模拟求解中,48个MPI进程192个Open MP线程可以得到39.53倍的加速比;并且随着参与计算的处理器核数的增加,加速比将大幅度地提高。 展开更多
关键词 二维三温能量方程 惯性约束巨变 MPI-OpenMP并行化 加速比
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