表面等离激元、光学热与力等多物理场的快速仿真算法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61771053
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0119.电磁场与波
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The proposal is the combination of traditional computational electromagnetics and the newly emerged discipline PLASMONICS. The light energy absorbed by the metallic nano particle can be transformed to heat, which alters the temperature distribution of the nano particle and its surrounding solution. In turn, nano-bubbles may arise under some conditions. The bubbles would changes its shapes and motions due to the fluid convection resulted from the heating as well as that from the exerted optical force. That newly discovered phenomenon attracts interest of many researchers from different disciplines and engineering areas because it is promising in medical treatment, energy transfer, imaging, chemical process, nano fluid control, etc. However, the bubble phenomenon is a typical complex multi-physical coupling involving electromagnetic wave, heat, convection and force. Only a few preliminary simulation works have been reported but left many vital issues open. This proposal would establish the suitable mathematical model from the theoretical respect and proposed a well-performed approach to linearize the possible non-linear coupling. In algorithm’s regard, we would choose the suitable existing methods or conduct the necessary improvement on them according to the requirement of the accurate and efficient computation. In addition, the proposal would work on the fast parameter-sweeping algorithm to accelerate the simulation or optimization.
项目是传统的计算电磁学与新兴学科等离激元学的交叉。等离激元气泡现象指:光能量被金属纳米粒子吸收后转换成热,造成纳米粒子温度升高,并在纳米粒子周围产生气泡的现象。气泡在流体对流的作用下运动,而光学压力也会影响纳米粒子和气泡的运动,并改变气泡的形状。在医疗、能量输送、成像、化学反应、微流控制等诸多方面有着潜在的巨大应用价值,等离激元气泡是当前研究的热点。它涉及电磁场、光学热、光学压力、流体对流等多物理场的耦合,是典型的多物理场问题,其仿真非常复杂,数学模型和算法设计目前均不完善。项目从理论上为等离激元气泡建立数学建模,提出并实现非线性耦合的线性化方法,保证仿真的稳定性。算法上,根据多物理场间的耦合需求,研究单个物理场求解算法的优化选择和改造,保证仿真精度和效率。应用上,研究参数选取和抽样规则,提出参数扫描的快速算法,减少仿真过程中重复求解各单个物理场的次数,实现大规模纳米阵列气泡现象的仿真。

结项摘要

项目是传统的计算电磁学与新兴学科等离激元学的交叉。等离激元气泡现象指:光能量被金属纳米粒子吸收后转换成热,造成纳米粒子温度升高,并在纳米粒子周围产生气泡的现象。气泡在流体对流的作用下运动,而光学压力也会影响纳米粒子和气泡的运动,并改变气泡的形状。课题研究涉及电磁场、光学热、光学压力、流体对流等多物理场的耦合,是典型的多物理场问题,其仿真非常复杂,数学模型和算法设计目前均不完善。项目从理论上为等离激元气泡建立数学建模,通过研究电磁场、温度场和应力场的时间尺度,发现在课题涉及多物理场耦合过程中,电磁场的变化尺度远大于温度的变化尺度,因此可以首先开展稳态情况下的先线性建模。据此,课题以Gummel算法为基础,提出并实现了非线性耦合的线性化方法,保证仿真的稳定性。算法上,根据多物理场间的耦合需求,研究单个物理场求解算法的优化选择和改造,保证仿真精度和效率。为了更好地获取纳米粒子内部的场强,课题基于电磁体积分方程计算纳米粒子内部电磁场,并结合骨元技术和多极子技术加速求解过程。应用上,研究参数选取和抽样规则,提出了基于骨元技术的参数扫描的快速算法,减少仿真过程中重复求解各单个物理场的次数,实现大规模纳米阵列气泡现象的仿真。为了进一步拓展算法的计算能力,课题还开发了基于骨元的参数扫描算法的MPI并行版本,并且研究了该MPI并行算法与物理场求解算法的MPI版本的集成。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(13)
专利数量(0)
冰晶粒子群的散射特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    微波学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄思路;徐航;潘小敏;盛新庆
  • 通讯作者:
    盛新庆
Fast and Accurate Calculation of Electromagnetic Scattering/Radiation Fields
快速准确地计算电磁散射/辐射场
  • DOI:
    10.1109/tap.2019.2927618
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Antennas and Propagation
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Liu Yan-Nan;Song Wei;Wu Di;Pan Xiao-Min;Sheng Xin-Qing
  • 通讯作者:
    Sheng Xin-Qing
Efficient and Accurate Electromagnetic Angular Sweeping of Rough Surfaces by MPI Parallel Randomized Low-Rank Decomposition
通过 MPI 并行随机低阶分解对粗糙表面进行高效、准确的电磁角扫描
  • DOI:
    10.1109/jstars.2020.2981124
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Huang Si-Lu;Song Wei;Wang Yi-Zhuo;Wu Yu-Mao;Pan Xiao-Min;Sheng Xin-Qing
  • 通讯作者:
    Sheng Xin-Qing
A Second-Order Stabilized Control Volume Finite Element Method for Self-Heating Effects Simulation of Semiconductor Devices based on Triangular Elements
基于三角单元的半导体器件自热效应模拟二阶稳定控制体有限元法
  • DOI:
    10.47037/2020.aces.j.360504
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    Applied Computational Electromagnetics Society Journal
  • 影响因子:
    0.7
  • 作者:
    Pan Xiao-Min;Yu Da-Miao;Sheng Xin-Qing
  • 通讯作者:
    Sheng Xin-Qing
A Fourier Split-Step Based Wide-Angle Three-Dimensional Vector Parabolic Wave Equation Algorithm Predicting the Field Strength Over Flat and Irregular Forest Environments
基于傅里叶分步的广角三维矢量抛物线波动方程算法预测平坦和不规则森林环境中的场强
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Applied Computational Electromagnetics Society Journal
  • 影响因子:
    0.7
  • 作者:
    Rasool Hafiz Faiz;Pan Xiao-Min;Sheng Xin-Qing
  • 通讯作者:
    Sheng Xin-Qing

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其他文献

罗志娟教授治疗湿热瘀阻型慢性盆腔痛经验浅析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    刘琴
基于修正的对称分解的稀疏近似逆预处理器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    电波科学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘飞航;潘小敏;盛新庆
  • 通讯作者:
    盛新庆
道地通管汤对输卵管炎性大鼠信号转导通路相关蛋白作用机制的研究
  • DOI:
    10.13193/j.issn.1673-7717.2016.12.020
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中华中医药学刊
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    符丽;潘小敏;吴媛媛;罗志娟;刘琴;韦欣宏;李芳艳
  • 通讯作者:
    李芳艳
基于共享内存的高效OpenMP并行多层快速多极子算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    北京理工大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    潘小敏;皮维超;盛新庆
  • 通讯作者:
    盛新庆
有限元中基于ID的快速扫角算法
  • DOI:
    10.15918/j.tbit1001-0645.2016.05.011
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    北京理工大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郝靖玮;潘小敏;盛新庆
  • 通讯作者:
    盛新庆

其他文献

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AI技术路线图

潘小敏的其他基金

深度学习驱动的复杂目标电磁散射与逆散射算法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    57 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于数据稀疏特性的电磁积分方程快速算法研究
  • 批准号:
    61371002
  • 批准年份:
    2013
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  • 项目类别:
    面上项目
良态电场积分方程离散、性态及高效算法研究
  • 批准号:
    60901005
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    18.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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