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Poisson-Nernst-Planck方程的数值方法及其应用

批准号:
12101264
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:
丁洁
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:
丁洁

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
基于平均场近似的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程是离子通道中离子输运的模型。为了获得物理上可靠的数值解,在离散水平上保持解析解的物理性质,如质量守恒性、能量耗散性和浓度的正性是非常必要和关键的。在对流占优情况下,标准的PNP数值模拟会导致数值振荡,并无法保证PNP方程的物理性质。针对以上问题,本项目提出在对流占优情况下,发展稳健的保物理性质的PNP类型数值格式,并设计相应的数值算法应用至离子通道中离子的输运。研究内容包括:(1)发展PNP方程结合密度泛函理论(DFT)的PNP-DFT数值格式,来满足PNP方程的物理性质;(2)在对流占优下,发展稳健的PNP类型数值格式,来满足PNP方程的物理性质;证明高维对流占优的Nernst-Planck类型数值格式能退化到的迎风格式。(3)将PNP类型数值方法应用至离子通道中的离子输运,并将数值结果与其他数值模拟结果进行对比。
英文摘要
Poisson-Nernst-Planck (PNP) equations based on the mean-field approximation is a model of ionic transport in ion channels. In order to obtain physically reliable numerical solutions, it is very necessary and critical to preserve physical properties of analytical solutions at the discrete level, such as mass conservation, energy dissipation and positivity of concentrations. In the convection dominant regime, the standard PNP numerical simulation will cause numerical oscillations, and can not preserve the physical properties of PNP equations, so that it can not be applied to the ionic transport in ion channels. In response to the above problems, this project proposes to develop a robust PNP-type numerical scheme to preserve physical properties in the convection dominant regime, and designs corresponding numerical algorithms to apply to the ionic transport in ion channels. The contents of the research include: (1) Developing a PNP-DFT numerical scheme of PNP equations combined with density functional theory (DFT) to satisfy physical properties of PNP equations; (2) Developing a robust PNP-type numerical scheme to satisfy physical properties of PNP equations in the convection dominant regime; Proving that the high-dimensional, convection-dominated Nernst-Planck-type numerical scheme can degenerate to the upwind scheme. (3) Applying the numerical methods of PNP-type equations to the ionic transport in ion channels, and the numerical results are compared with other results of numerical simulations.
Poisson—Nernst—Planck (PNP)方程是模拟离子输运的方程,它在离子通道、半导体和电化学装置中有着广泛的应用。在用经典的PNP方程建模时,许多离子特征在离子相互作用的过程中被忽略了。在这项工作中,我们提出了新的时间上的二阶离散和空间上的有限体积离散方法,用于研究包括空间相互作用和玻恩溶剂化效应的修正PNP方程,这两者都可能引起强对流现象。我们开发了一种非结构化网格上的多斜率方法,能够在控制体表面重建正的、准确的迁移率近似。数值分析证明,所提出的数值格式能够无条件地保证数值解的存在唯一性、正性、原始能量耗散、质量守恒以及在离散水平上保持稳态。此外,我们进行了大量的数值模拟,以证明数值精度和保物理性质的性能。在离子通过三维纳米孔的应用中表明,改进的PNP模型,配备了所提出的数值格式在离子选择性和整流研究中具有良好的应用前景。另一方面,我们在Slotboom重构的基础上发展了一类数值算法,并在离散水平上证明了质量守恒性、离子浓度正性和自由能耗散性。然而,针对这些基于Slotboom重构的数值格式的严格收敛性分析,长期以来一直是一个开放的问题。在本研究中,我们提供了基于Slotboom重构的有限差分格式的最优速率收敛性分析和误差估计。在有限差分空间离散化中,我们考虑了在交错网格点上的不同迁移平均选择,如调和平均、几何平均、算术平均和熵平均。我们采用半隐式时间离散化方法,这会在每个时间步长产生可变系数、正定线性系统。在一致性分析中,我们采用了高阶渐近展开,这样的高阶一致性估计对于控制浓度的离散最大范数是必要的。在收敛性估计中,我们采用了调和平均作为迁移平均值,这在理论分析中提供了很多便利,而迁移性平均值的其他选项也会得到所期望的误差估计。最终,我们得到了浓度、电势和离子通量的最优速率收敛性分析,这是基于Slotboom重构的保结构数值格式的第一个这样的结果。一些数值结果也证明了相关格式的准确性和结构保持性能。
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