三维粒子模拟并行化技术研究

自行研制的三维并行全电磁PIC模拟软件UNIPIC-3D具有模拟高功率微波器件的能力。软件实现了并行的三维FDTD、粒子推进算法以及边界条件处理。软件通过读入输入文件进行规则与不规则两种区域划分方式,电磁场和粒子的并行化采用MPI机制,让粒子和电磁场的计算与通信同步,在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果比较,验证了UNIPIC-3D软件并行模块的正确性。     

任意三维物体FDTD共形网格生成算法

时域有限差分法(FDTD)是计算电磁学广泛使用的方法之一.作为一种数值方法,首先要对目标模型进行网格离散.它直接影响到计算的精确性与复杂性.为了避免采用Yee氏单元对复杂模型建模所产生的阶梯误差,实现了一种任意复杂形状三维物体FDTD共形网格自动生成算法.对于由AutoCAD等建模软件生成的目标模型(三角形和四边形构成),应用计算机图形学方法求出网格线与模型的交点,在三个网格面分别生成共肜网格.数值结果证实了共形网格生成方法的正确性和在提高FDTD方法计算精度方面的有效性.     

基于三角面元的FDTD网格生成与可视化实现

针对三维复杂目标利用时域有限差分法(FDTD)进行电磁数值计算中遇到的Yee元胞建模的难题,提出了一种将三维三角面元模型转换为Yee元胞模型的方法,方法的实质是判断Yee元胞的中心点是否在目标模型的内部或是表面,根据判断后输出的结果进行了FDTD数值计算,计算结果证明了方法可以正确且快速的实现时域有限差分法的自动网格剖分,实现了FDTD网格的自动剖分.并利用OpenGL技术编程实现了剖分模型的可视化,有效的提高了时域有限差分法的电磁仿真系统预处理的能力.     

FDTD结合SPICE对微波有源电路的分析

时域有限差分(FDTD)方法由于其强大的功能,已经成为电磁场数值模拟的重要方法之一,本文主要讨论了时域有限差分法对微波源电路建模的理论和方法:模拟子电路的SPICE软件结合FDTD法的建模方法。根据传统的FDTD加入集总元件的建模方法的不足,提出用SPICE软件结合FDTD法进行包含集总元件的微波电路的建模,通过此种方法可以方便的对任意端口数、任意复杂度的微波子电路进行建模。     

基于VTK的电磁场三维可视化研究及实现

针对在三维电磁场可视化过程中面临的电磁数据的多样性和数据映射的多样性问题，分析了电磁场三维可视化的主要流程和电磁场数据集，并引入三维可视化类库VTK。利用VTK类库良好的封装性，采用Marching Cube和Hedgehog建模，分别实现了电磁标量场和电磁矢量场的三维可视化。     

基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真算法研究

提出了一种基于开放运算语言（OpenCL）的GPU加速三维时域有限差分（FDTD）电磁场仿真计算的方法．该方法利用图形处理单元（GPU）的并行处理特性并结合OpenCL接口标准实现了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件的三维FDTD的高性能加速计算．首先设置FDTD仿真参数并动态申请内存空间,然后初始化OpenCL的计算参数,对三维电磁模型基于OpenCL进行FDTD加速仿真．本方法显著提升了FDTD电磁场仿真速度,与利用CPU计算相比速度提升可达5-8倍,且具有CPML吸收边界条件,可以模拟电磁波在自由空间的传播;基于OpenCL编译的语言程序可以运行在CPU或GPU硬件上,并可充分发挥多核CPU的并行计算能力,使得FDTD电磁场仿真具有更广泛的实际应用．     

基于CUDA架构的三维CPML-FDTD并行方法

为解决时域有限差分（FDTD）算法应用于电大尺寸目标仿真的巨大耗时问题,应用FDTD算法的并行特性和通用图形处理器（GPGPU）技术,实现了一种基于计算统一设备架构（CUDA）的三维FDTD并行计算方法,采用了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件模拟开域空间,对不同网格数目标仿真计算。进一步结合FDTD算法和CUDA的特点进行了优化,当计算空间元胞数在十万数量级及以上时,优化前后GPU运算相对于同时期的CPU分别可获得10和25倍以上的加速,结果表明该方法较适合用于实际电磁问题的仿真。     

柱面坐标下基于OpenGL的非均匀FDTD网格的生成*

详细介绍了一种在柱面坐标系下非均匀FDTD(finite difference time domain,时域有限差分)网格的生成算法,并且利用OpenGL技术对其一维、二维、三维网格图形进行实现。一般地,使用传统方法进行三维图像的生成与消隐比较复杂,而采用OpenGL可以非常方便地对以上问题实现快速生成以及高效消隐。     

基于OpenGL三维非均匀FDTD网格图形的消隐处理*

在分析了三维非均匀FDTD网格图形性质及计算数据结构特点的基础上,提出了一种基于OpenGL深度缓冲机制的绘图方法,采用多边形深度偏移量修正法进行精细化的消隐修正,实现了网格图形的快速生成与高效消隐,大大提高了FDTD仿真及模拟计算网格图形的可视化效果,并在此基础上设计并实现了基于OpenGL的三维网格模型仿真系统.最后,以U型天线的网格图形为例,展示其可视性.     

电磁环境仿真研究

电磁环境仿真具有很重要的意义 ,该文对电磁环境仿真的一些思想进行阐述。首先 ,对电磁环境进行分析和建模。随后 ,讨论了信号仿真和功能仿真两种仿真方法。在信号仿真中 ,对信号仿真的FDTD算法进行详细的推导 ,分析了该算法的稳定性以及局限性 ;在功能仿真中 ,介绍了部分仿真模型 ,并给出了系统框架。最后评估了两种仿真方法。     

基于FDTD法的电磁仿真的优化算法

在对研究对象所在空间进行电磁仿真的过程中,如果采用经典的均匀网格划分法处理具有复杂结构的物体(例如在同一物体上,某些部位之间的尺寸差别很大),势必造成网格数量巨大,计算成本过大的问题.为解决这个问题,提出了一种基于FDTD算法的渐变非均匀网格划分技术,在保证计算精度的基础上比均匀网格划分法占用更少内存和计算时间.仿真结果表明,该改进方法明显提高了计算效率.     

光子晶体并行Matlab仿真研究与实现

由于Madab软件的网络通信局限,使得在并行时域有限差分(FDTD)计算仿真中,难以实现子域间的消息发送与接收操作.针对这个问题,提出一种新的基于磁盘-内存互逆映射的解决方法,在简化并行FDTD算法实现的同时,显著提高了算法执行性能.作为算法实现的应用,对光子晶体光波导的电磁耦合效应进行了数值仿真研究,结果证实:波导耦合区域内不同半径比介质柱所导致的结构变化将造成耦合长度的改变,且其耦合关系曲线具有平稳区与迅变区两类不同特性的变化范围区间.     

基于GPU的FDTD麦克斯韦方程快速求解

采用图形处理器(GPU)为主计算核心,应用时域有限差分法(FDTD)实现电磁学中麦克斯韦方程组的快速求解。通过对FDTD求解麦克斯韦旋度方程的直接时间域的分析,给出FDTD的仿真算法。根据GPU能高效地提高FDTD的仿真速度,解决FDTD仿真算法中的计算量庞大问题。利用GPU在FDTD计算中的处理能力,实现了更长的脉冲持续时间和庞大的模型求解与仿真,在适当的时间内完成了超大量的仿真计算。根据在CPU和FDTD上的实际计算结果表明,基于GPU的FDTD仿真算法具有高精度和高效率等特点。     

三维FDTD众核算法的设计与实现

在电磁学中,时域有限差分算法(FDTD)能够精确地模拟空间中电磁场的变化,在电介质器件设计领域得到了广泛的应用。众核(many-core)处理器片上计算资源丰富,对于计算密集型课题有较好的适应性。通过对麦克斯韦方程FDTD仿真算法的分析,并根据众核处理器的特性,实现了FDTD算法的众核并行。实验结果表明,FDTD算法在众核处理器平台上具有较好的计算效率,能够很好地发挥众核结构的优势。     

基于卷积的Perfect-Match-Layers吸收层算法及其在PIC程序中的应用

基于卷积的PML吸收层算法能够吸收各种频率、各种传播方向、各种传播速度的电磁波,同时具有计算量小、吸收率高、可并行性好等突出特点。改进基于卷积的PML算法的差分形式,使之适合于PIC粒子模拟,编制了相应代码。对该算法的测试表明,对各种角度的散射电磁波振幅的吸收率达到0.999以上。     

FDTD modeling of matched impedance terminating a microstrip line

An efficient matched‐impedance scheme for the finite‐difference time‐domain (FDTD) analysis of microstrip circuits is presented. In conventional extended FDTD schemes, the resistive load is introduced as a thin‐line model or is uniformly assigned into a number of cells. The assigning scheme does not agree with the electromagnetic distribution in the microstrip line, and thus causes some reflection errors. The proposed scheme uses the effective impedance of the microstrip line as the value of matched resistive load and assigns it into the resistive‐load mesh region in a proper proportion in order to reduce the reflection errors. The results of the numerical examples show that the reflections can be significantly reduced by this novel scheme. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE, 2005.     

复杂曲面混合网格的生成算法

有限元网格质量的好坏对金属成形模拟的精度和效率有很大影响。提出了一种复杂曲面混合网格自动生成算法，该算法根据所要划分的网格密度形成初始化边界节点，逐步向内铺砌混合网格，直至布满整个区域。应用实践表明．该算法具有稳定、准确和速度快的特点，生成的网格在相邻曲面边界处不会产生裂缝与覆盖，很好地满足了金属成形模拟分析软件对网格划分的要求。     

基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发

介绍了一个基于时域有限差分法（FDTD）的二维光子晶体器件设计软件PCCAD，所用的核心算法是时域有限差分法。与同类FDTD商业软件相比，特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板，多种点源、线源，先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能。快速傅里叶变换及Pade算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速。软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计，探索新的器件结构。最后，利用此软件设计了直波导、T型波导等二维平面光子晶体器件。     

NEPTUNE:并行三维全电磁粒子模拟软件

为求解具有复杂几何的高功率微波电磁场问题,本文研制了一个三维全电磁粒子并行软件NEPTUNE。本文介绍了该并行软件的基本结构和采用的一些并行算法。目前,该软件已经成功模拟了多种高功率源器件,并可扩展到数千台处理器核上运行。