PNAS：应用物理科学前沿研究
文一：
上海应对严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型奥密克戎BA.2疫情时流动性的异质性变化
摘要：
2019冠状病毒病（新冠肺炎）大流行和作者为控制其传播而采取的措施以前所未有的方式改变了人类的行为和流动模式。然而，目前尚不清楚人口对新冠肺炎疫情的反应是在城市内部还是在人口群体之间有所不同。在这里，我们利用了2022年2月至6月在中国上海爆发的严重急性呼吸综合征冠状病毒2型奥密克戎BA.2疫情期间收集的500多万用户的1公里×1公里空间分辨率的被动记录细胞信号数据和流行病学监测数据，调查城市内不同人群的异质性反应，并检验其与实际感染风险的关系。行为的变化在城市和人口群体中具有空间异质性，并与感染发生率和所采取的干预措施有关。我们还发现，30至59岁的男性和个体旅行更频繁，旅行距离更长，他们的社区联系更紧密；同样的组也与最高的严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型发病率相关。我们的研究结果强调了上海人群对SARS-CoV-2奥密克戎BA.2疫情的异质性行为变化，以及异质性行为对新冠肺炎传播的影响，无论是在空间上还是在人口学上。这些发现可能有助于设计有针对性的干预措施，以控制和缓解新冠肺炎的未来疫情，以及更广泛的呼吸道病原体。
图：上海人口流动和出行距离的变化。
图：网络结构在每个阶段都会发生变化。
图：流行病和干预措施对流动性变化的影响。
图：年龄和性别对流动网络频率、距离和社区结构的影响。
文二：
基于物理机器学习的拉格朗日大涡模拟
摘要：
高雷诺数均匀各向同性湍流（HIT）在Navier–Stokes（NS）方程中得到了充分的描述，这是出了名的难以数值求解。工程师们主要对在较小的分辨率范围内描述湍流感兴趣，他们设计了启发式方法，称为大涡模拟（LES）。LES是根据在空间网格上定义的随时间演变的欧拉速度场来描述的，其平均间距与解析尺度相对应。这个经典的欧拉LES依赖于关于子网格尺度对解析尺度的影响的假设。在这里，我们采用了另一种方法，并设计了根据拉格朗日粒子随流运动的LES启发式算法。我们的拉格朗日LES，即L LES，是通过方程来描述的，该方程推广了具有扩展参数和函数自由度的弱可压缩光滑粒子流体动力学公式，然后通过对NS方程的直接数值模拟的拉格朗日数据进行机器学习训练来解决。L-LES模型包括基于物理的参数化和函数形式，通过结合基于物理的参量和受物理启发的神经网络来描述尺度解析范围内湍流的演变。子网格尺度的贡献是用物理约束单独建模的，以考虑未解决尺度的影响。我们在可微编程框架下建立结果模型，以促进有效的训练。我们对不同类型的损失函数进行了实验，包括考虑拉格朗日粒子统计的物理损失函数。我们表明，我们的L-LES模型能够在一系列湍流马赫数上重现欧拉和独特的拉格朗日湍流结构和统计数据。
图：三维速度场和速度梯度场的二维解
图：三维涡度的二维等值线
图：湍流的统计几何，由粗粒度速度梯度(Q 和 R)不变量的 PDF 和矢量场联合揭示。
文三：
用三轴压缩砂中的晶粒应力和局部应变测量评估连续塑性假设
摘要：
临界状态和连续塑性理论在岩土力学的研究和工程实践中已经应用了几十年。这些理论依赖于假定的材料应力和应变之间的关系。一些经典假设包括应力和应变率之间的同轴度、应力-剪胀关系以及剪切带中的运动学假设。尽管数值和实验数据已经量化了此类实验中的应变和晶粒运动学，但量化晶粒应力的数据很少。在这里，我们报道了使用同步加速器X射线断层扫描和3D X射线衍射在合成石英砂三轴压缩试验中首次已知的晶粒应力和局部应变测量。我们使用这些数据来检验剪切带的微观力学，重点是同轴度、应力剪胀和剪切带内的运动学。我们的结果表明：1）在整个实验中，剪切带中的偏应力、应变和应力比升高；2） 整个样品的同轴主压应力和应变；3） 沿剪切带的显著收缩；4） 体积应变消失，但在变形的所有阶段，整个样品的应力波动没有变化。我们的结果提供了一些已知的首次现场应力和应变测量，能够帮助批判性地评估砂的连续塑性和应变局部化理论中使用的假设。
图：实验装置和宏观样品响应。
图：剪切带内外晶粒运动学特征
图：应力应变和应变速率同轴度
文四：
冰模拟过程中晶体生长前沿不稳定性对层次结构形成的影响
摘要：
水溶液和浆料在温度梯度下的定向固化被广泛用于通过生长的冰片之间的溶质或悬浮颗粒的相分离来生产细胞材料。虽然这一过程类似于冶金合金的定向凝固，但它形成了非常不同的分级结构。冷冻铸造材料产生的蜂窝状孔隙由规则间隔的片状细胞壁组成，这些细胞壁经常表现出形态复杂的单侧表面特征，让人想起活体，所有这些在冶金结构中都是未知的。虽然人们假设冰晶生长的强烈各向异性在形成这些结构中发挥了作用，但它们形成的机制仍然难以捉摸。通过定向冷冻含有服从菲克扩散的小溶质的二元水混合物，并对这些实验进行相场建模，我们揭示了这些结构是如何形成的，对单边特征负责。固液界面上的扩散控制形态初级不稳定性在片层的原子粗糙侧形成了一个细胞结构，该结构以规则间隔的“脊”为模板，而该结构的次级不稳定性是更复杂特征的原因。
图：冷冻铸造工艺示意图
图：在蔗糖-水和海藻糖-水（小分子）二元模型系统中观察到的细胞壁特征，与在壳聚糖（大分子）中观察到相比。
图：PF模拟中水溶液单向冷冻过程中冰片层的形成。
文五：
泥石流物质的流变性受泥石流物质与干扰物之间的距离控制
摘要：
泥石流是密集且快速移动的复杂土壤和水悬浮物，威胁着生命和基础设施。评估泥石流的潜在危害需要预测流量和流量行为。由于颗粒组成和体积分数的不均匀性（）以及不一致的测量方法，泥石流泥浆流变学的测量结果变化很大，有时相互矛盾。在这里，我们研究了2018年在加利福尼亚州Montecito形成野火后泥石流的源物质的组成和流动行为，这些源物质的广泛ф通过陆上流动包裹了碎片fHlow的形成。我们发现剪切粘度和屈服应力由离堵塞的距离Δ=m-控制，其中堵塞分数m是一个取决于晶粒尺寸多分散性和摩擦的材料参数。通过重新缩放剪切应力和粘性应力来解释这些影响，数据崩溃到一个简单的无量纲流动曲线上，表明宾厄姆塑性（粘塑性）流体。鉴于流变学对A的高度非线性依赖性，我们的研究结果表明，确定天然材料的堵塞分数将显著改善地球物理悬浮液（如高浓度流和泥石流）的流动模型。
图：（A） Montecito地区的数字高程模型。本研究中使用的样本名称以黄色显示。主要集水区用红色表示，两个主要集水区和感兴趣的河流通道被标记。图例中显示了主要岩性单元。2018年事件的泥石流沉积物显示为深棕色岩性单元，主要流动路径遵循通道路径。（B） 现场图像显示了用于流变学测试的源材料的位置。细沟是山坡上侵蚀的集中地带。（C） 堆积在巨石上的山坡土壤特写，显示源物质形成粘性、屈服应力流。
图：所有泥石流源材料样品的粒度分布
图：不同体积分数的剪切应力-流量曲线
