课题基金 / 基金详情

PNP方程及其改进模型的数值模拟和计算上改进的一些研究

批准号:
12101595
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
沈瑞刚
依托单位:
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈瑞刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程是模拟离子输运、电化学系统以及生物细胞膜间的离子转化和静电扩散反应过程最为常用的模型之一。由于方程组具有强耦合非线性性、多点源奇异、对流占优等属性,需要不断改进计算方法来克服分析和计算上的困难。另外,为了更加准确地模拟计算反映生物物理现象, 需要不断改进和发展新的数学模型。VDPNP和PNP-NS模型是根据不同的实际需要而发展的新模型, 在数值计算上存在许多需要深入探究的问题和困难。数值模拟方法由于其可帮助探究实验现象背后的机理、为实验结果提供有力的理论支撑与解释以及为某些实验无法得到的数据提供参考等,是研究离子输运性质、扩散反应过程的重要工具。本项目旨在针对目前数值计算中存在的一些困难,如对流占优、保正性、流守恒、非线性迭代策略等发展和改进一些新的有限元计算方法,为实现有效的大规模并行模拟提供技术支撑。
英文摘要
Poisson-Nernst-Planck(PNP)equations are one of the most commonly used models in simulating the ionic transport, electrochemical system, ionic transformation between biological cell membranes and the electro-diffusion reaction process. Due to the strong coupling nonlinearity, singularity of multi-point sources and convection-dominated of the equations, it is necessary to continuously improve the computing methods to overcome the difficulties in analysis and computation. In addition, in order to simulate and reflect biophysical phenomena more accurately, new mathematical models need to be improved and developed. VDPNP and PNP-NS models are two new models developed according to different practical needs. There are many problems and difficulties to be further studied in numerical computation for them. Numerical simulation is an important tool to study ionic transport properties and diffusion reaction process because it can help to explore the mechanism behind experimental phenomena, provide strong theoretical support and interpretation for experimental results, and provide reference for some data that cannot be obtained in experiments. This program aims at developing and improving some new finite element methods to resolve the difficulties in current numerical computing, such as convection-dominated, positivity-preserving, flux conservation and nonlinear iteration strategies, etc., so as to provide technical support for the realization of the effective large-scale parallel simulation.
Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程是模拟离子输运、电化学系统以及生物细胞膜间的离子转化和静电扩散反应过程最为常用的模型之一。由于方程组具有强耦合非线性性、多点源奇异、对流占优等属性, 需要不断改进计算方法来克服分析和计算上的困难。除了经典的PNP方程外, 本项目主要考虑了尺寸修正的SMPNP模型与非均匀溶液体系下的广义变介电VDPNP方程。通过广义Slotboom变换, 发展了求解SMPNP/PNP方程的逆平均有限元方法。通过包括含解析解的模型问题、分子小球模拟以及离子通道模拟等在内的若干数值实验验证了逆平均有限元格式对求解SMPNP/PNP方程的有效性和稳健性。数值结果表明, 相较于标准的有限元格式及其它稳定化方法, 新的逆平均有限元格式更加简洁且易于实现, 在数值模拟中更稳健、更能消除因静电势、浓度在生物分子表面的剧烈变化而引起的非物理震荡。特别是在强非线性和对流占优情形下, 该数值格式具有较好的数值稳定性和通量守恒的优势。同时, 我们还研究了离子的尺寸效应对离子通道中浓度分布的影响, 并通过改变边界浓度及电势差, 数值模拟表明新的有限元算法具有比标准有限元格式更快更稳健的计算效率。. 针对PNP模型的流守恒性, 通过将通量密度函数作为求解变量, 提出了一种求解PNP方程的含指数系数的混合有限元方法。通过Slotboom变换直接引入电流(通量)密度函数, 将原PNP方程转化为具有指数系数的新PNP系统。采用BDM混合有限元离散新NP方程, 建立了新的混合有限元解的适定性和误差估计理论, 新的离散格式具有显示表达PNP方程指数性质的优势。数值实验验证了混合离散系统的最优阶估计、流守恒性以及算法的有效性和可靠性。设计了一类求解PNP方程的时间自适应格式, 提高了长时间演化模拟的计算效率。通过VDPNP方程的有限元数值计算和纳米孔系统模拟, 揭示了变介电系数对溶液体系分布的影响, 表明VDPNP模型能够更精确地捕捉复杂电荷的相互作用机制, 研究结果为理解电荷调控和离子选择性提供了新的理论依据。. 对本项目的研究, 共发表和完成相关学术论文6篇, 其中被SCI收录1篇, 1篇SCI返修中, 中文核心2篇。完成博士后出站报告1篇, 培养在读硕士研究生3名。
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