基于改进型UPML吸收边界条件的电磁波数值模拟

基于分裂场的完全匹配层(PML)吸收边界条件完成了对非物理反射波的吸收,初步实现了有限区域对无限开放空间的数值模拟,然而在计算区域的边界上需要对场分量进行分裂,增加了Maxwell方程组中独立方程的个数,使场分量迭代复杂,增大了数值计算量.单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件则不需要对场分量进行分裂,迭代公式简单,便于程序实现,本文在常规UPML上增加了自由可变因子,使得对低频成分的反射波具有更好的吸收效果.本文首先推导了TMz波的改进型UPML方程组,给出了改进型UPML的介电参数分布方式,详细介绍了该算法的程序实现步骤,并以数值算例进行验证,分别采用基于分裂场的PML、常规UPML和改进型UPML边界条件进行数值计算,并从波场快照、时间域反射误差和频率域反射误差等方面,对比了三者的吸收效果,结果表明;在电磁波传播后期,改进型UPML吸收边界条件对低频率成分的反射波具有更好的吸收效果,更真实地模拟了开放的无限空间.     

三维集成转接板互连电磁传播仿真中吸收边界条件的选取及其验证

为了完成三维集成转接板互连结构中电磁场分布的建模与数值计算,采用时域有限差分法(Finite DifferenceTime Domain, FDTD)仿真二维横电波(Transverse Electric, TE)的传播,观察在添加Mur吸收边界条件和完全匹配层(Perfectly Matched Layer, PML)吸收边界条件时边界处磁场的变化,绘制误差曲线与等相位线来检验这两种边界条件的吸收性能。结果表明,将PML边界条件作为二维TE波的吸收边界可以确保仿真结果更符合工程实际。     

TTI介质井间地震波场紧致交错网格高阶有限差分模拟及边界条件

研究井间地震波场的形成过程以及波场的传播机理、规律,对于指导实际井间地震勘探有着重要的意义．从具有倾斜对称轴的横向各向同性介质（TTI）的二维三分量一阶速度-应力弹性波方程出发,采用高阶紧致交错网格差分算子对方程进行差分离散,得到了TTI介质中井间地震波场正演的高阶有限差分格式．并推导了TTI介质完全匹配层吸收边界条件公式和相应的紧致交错网格高阶差分格式,在此基础上实现了二维三分量TTI介质中井间地震波场模拟．数值算例表明：紧致交错网格高阶有限差分方法模拟的记录精度高,数值频散小,该方法能够精确的模拟复杂各向异性介质中的地震波传播过程,可以得到高精度的正演记录．完全匹配层吸收边界能有效地解决人工边界问题,是一种高效的边界吸收算法．     

FDTD方法吸收边界条件的研究及应用

用时域有限差分法(FDTD)求解电磁散射问题中,吸收边界条件的设置起着关键性作用.通过时间和空间上的递推算法对时域有限差分法中的两种吸收边界条件:Mur吸收边界条件和完全匹配层(PML)的吸收效果进行了比较和分析.同时,引入参数对PML的差分方程进行了优化,避免了将电磁场分裂为两个分量进行计算,进而降低了计算内存开销.实验结果证明PML具有更优越的吸收性能.最后,在FDTD算法中应用PML吸收层对一圆柱形导体的雷达散射截面积(RCS)进行数值仿真,验证了FDTD算法在计算雷达散射截面积(RCS)上的有效性.     

GPU加速的二维地震波场模拟研究

采用交错网格有限差分方法模拟二维地震弹性/粘弹性波场要花费大量的计算时间,为此利用GPU并行处理特点和绘制管道,将计算区域划分为内部区域和PML边界处理区域,整个计算过程由顶点编程和片段编程处理,采用FBO技术实现差分迭代结果的纹理转换。实验结果表明,与CPU实现相比,GPU方法提高了模拟效率,并且随着网格规模的增加,其效率不断提升,可以实现大规模的高效模拟。     

基于FDTD的平面波入射介质的仿真

在二维时域有限差分法的基础上,以MATLAB为环境,进行电磁场数值仿真计算以及设置入射波与介质圆柱边界条件.用完美匹配层、矢量亥姆霍兹方程解决了吸收边界和平面波入射有损介质的问题.将平面电磁波入射到介质圆柱上的状态很好地模拟出来.     

不同电磁边界设置的仿真研究

首先介绍了电磁边界设置在电磁场计算中的重要意义和常用的四类边界条件的基本原理;其次对三维PML吸收边界条件进行了深入探讨:选取IOOMHz的平面波为激励源,分别采用四类边界条件,以典型长方体导体槽为分析模型进行电磁场模拟吸收的数值仿真:最后比较仿真结果得出了各种边界条件的应用范围.     

Ⅲ-Ⅴ族半导体平面波导谐振腔滤波器

基于四端口谐振腔滤波理论,采用3D时域有限差分法(3D-FDTD)结合完全匹配层(PML)边界条件,对并联矩形驻波型谐振腔和并联环行行波型谐振腔滤波器进行了数值仿真和优化设计.所制作的GaAlAs/GaAs平面波导四矩形并联驻波型谐振腔滤波器、单环行波型谐振腔滤波器和三环并联行波型谐振腔滤波器的测试结果与仿真结果符合较好.     

后台阶流动的非均匀格子Boltzmann方法模拟

使用非均匀格子Boltzmann方法对后台阶流动进行了数值模拟.将流体流动区域划分为不同的子区域:对于每个子区域内部,分布函数使用均匀网格计算;对于区域边界,分布函数采用嵌套网格方法进行处理.数值计算结果与其它实验、数值结果相吻合.     

基于正交轨迹的共形PML数值仿真方法

从材料的观点看,完全匹配层是各向异性的介质.场在完全匹配层遵从麦克斯韦方程.通过设计磁导率和介电常数张量参数来实现任意形状的共形完全匹配层.为匹配层动态稳定,可应用二维正交轨迹网格和FDTD方法实现了数值共形完全匹配层仿真,数值仿真结果表明基于正交轨迹网格的共形完全匹配层为一个共形FDTD或FEM方法提供了一个有效地吸收边界条件.     

不同方向入射波的电磁隐身仿真

FDTD中引入平面波的一种常用的方法是,总场/散射场分离(TF/SF)技术.总场/散射场分离就是由连接边界把FDTD计算区域分为总场区和散射场区两个部分,利用等效原理在连接边界上用连接边界条件引入入射波.本文尝试用TF/SF技术引入入射波,以UPML为吸收边界条件,通过对TM波的数值算例,计算了不同角度入射时,隐身装置产生的散射场的能量强度.     

再辐射边界条件在FDTD中的应用

目前的吸收边界条件存在编程复杂,占有内存空间与计算量过大等缺点。再辐射边界条件通过在截断边界处引入与入射波等效电磁流符号相反的源,使得穿过边界的电磁场得到有效的衰减。与传统的吸收边界条件相比,再辐射边界条件具有吸收性能优越,设计思路清晰,编程简单,内存占有少,计算时间短的优点。推导了在离散网格中再辐射边界的反射系数与时间及空间步长的关系,通过时域有限差分方法（FDTD）进行了验证,与理论值基本相符。     

超宽带信号地面回波仿真方法研究

研究地面的超宽带回波特性,能够为超宽带无线电系统设计提供仿真支持。为保证计算结果的可信性,需要考虑土壤的色散特性和地面起伏对回波的影响。目前在超宽带地面回波计算中所使用的FDTD（时域有限差分）算法计算量较大或者存在较大误差。使用卷积完全匹配层（CPML）作为吸收边界,多极点Debye模型描述土壤介质特性,在FDTD算法基础上推导出了多极点Debye介质的CPML-FDTD算法。对不同条件地面的回波进行了仿真计算,与未使用PML（完全匹配层）的FDTD算法计算结果进行比较分析,表明文中使用的算法结果正确且效率较高。     

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。     

边界面法数值结果的云图表征

边界面法继承了传统边界元法的优点,并将几何实体的边界曲面离散为参数空间里的曲面单元,在处理一些特殊问题如移动边界、高梯度、大变形等方面显示出特殊的优越性。但是也使得计算结果的后处理遇到困难。提出了一种基于黎曼度量推进波前法生成三角背景网格的实用边界面法计算结果后处理方法。该法对求解域剖分成三角背景网格然后将计算结果映射到网格节点上,通过区域填充获得计算结果的云图。温度场的数值算例表明该方法可靠实用。     

应用有限差分法模拟高炉炉缸侵蚀

现有有限元、边界元方法模拟高炉炉缸侵蚀状况需要对炉缸进行网格划分的前处理,对于自由变动边界问题,这类模型计算十分复杂。应用基于适体坐标的有限差分方法模拟高炉炉缸侵蚀状况：通过求解Possion微分方程建立适体坐标系,将炉缸的不规则边界变换到规则的计算平面上,利用有限差分方法在计算平面上离散并数值求解热传导方程,给出高炉炉缸等温线的数值模拟。该方法计算简单,运行时间短,适合在线实时监测,邯钢7号高炉在线运行表明模型可以动态地跟踪炉缸侵蚀状况。     

FDTD计算中一种UPML吸收边界与其内部计算区域的统一建模方法

基于C 语言的多态性实现了单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界与吸收边界内部计算区域的统一建模.其主要思想是:首先构造基类-Yee元胞类及其继承类来分别封装UPML内部介质和UPML的电磁特性;然后分别创建基于以上两个类的对象数组来给UPML 及其内部计算区域开辟计算空间;再构造基类类型的指针数组,并用以上数组的地址赋值;最后,所有的计算在指针数组空间完成.该方法避免了UPML与其内部计算区域间的数据传递,简化了编程.数值实验验证了UPML的吸收效果,证明了方法的有效性.     

双螺杆挤出机流场数值模拟中流道进出口边界条件的探讨

在对双螺杆挤出机流场的数值模拟中,流道进出口边界条件的设置一直是一个颇具争议的问题。由于事先无法获得计算域进出口平面上的真实边界条件,研究人员在进行双螺杆挤出机的流场分析时,大都采用放松边界条件。为了考察放松边界条件对双螺杆挤出机流场数值模拟结果的影响,本文采用聚合物流动分析软件POLYFLOW,在流量恒定的前提下对双螺杆挤出机流道进出口给定三种不同分布形式的速度边界条件,对其流场进行了数值模拟。数值计算结果表明,在体积流量恒定的条件下,流道进出口不同分布形式的速度边界条件对流场的影响主要集中在进出口附近区域,但对离进出口边界较远的流场影响很小。一般而言,当计算域所对应的螺杆较长时,可以忽略流道进出口的放松边界条件所引起的误差;当计算域较短时,不宜直接采用放松边界条件,而应根据螺杆的实际构型．在计算域的进出口增加适当长度的发展段。     

用边界粒子法求解柯西反问题的数值计算软件包

为推动无网格方法在反问题中的应用及相关计算软件的发展,介绍基于MATLAB开发的用边界粒子法(Boundary Particle Method,BPM)数值模拟柯西反问题的计算软件包;描述数值算法的理论基础,并结合标准算例介绍软件包的基本功能和使用方法.该软件包可求解含不同形式源项(多项式函数、三角函数、指数函数及其耦合函数等)的椭圆型偏微分方程,并且可用于处理任意几何区域问题.本软件包具有简单易用的图形用户界面,在数值模拟柯西反问题时仅需边界测量数据,且效率高、精度高.     

共形PML下三维电磁散射矢量有限元计算

共形完全匹配层吸收边界能满足复杂构型散射体的几何外形要求,又具有良好的电磁波吸收特性,大幅度减少了散射区网格的数量,达到节省计算机存储量的目的。在ANSYS采用的六面体矢量单元的基础上,对矢量基函数作了一些增强正交性的修改,使其同时具备采样点正交性和积分正交性,得到了一种新的正交增强六面体矢量单元;这种新单元能增强系统矩阵的对角占优特性,加快系统方程组的求解速度。数值算例表明,在共形完全匹配层条件下,采用新的正交增强矢量单元进行三维电磁散射计算既能减少计算存储量,又能提高计算速度和精度,具有工程应用价值。