本文選題：電磁散射 + 表面積分方程法　； 參考：《北京理工大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：本文以解決實(shí)際電磁工程應(yīng)用中典型問(wèn)題，譬如電大深腔、電大介質(zhì)體、涂敷體的計(jì)算分析為目的，利用多極子與區(qū)域分解快速算法，對(duì)均勻介質(zhì)面積分方程矩量法、有限元方法、以及混合有限元、邊界元和多層快速多極子方法（簡(jiǎn)稱(chēng)合元極方法）三種方法的快速算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、及其數(shù)值性能研究，以提高電磁仿真的計(jì)算能力。與此同時(shí)，將實(shí)現(xiàn)的快速算法應(yīng)用于分析目標(biāo)特性、光鑷技術(shù)等，解決了一系列工程應(yīng)用中的實(shí)際難題。 在快速算法研究方面，本文主要研究了計(jì)算電磁學(xué)中的均勻介質(zhì)面積分方程多層快速多極子算法，有限元區(qū)域分解快速算法，區(qū)域分解高階合元極算法。對(duì)于均勻介質(zhì)面積分方程多層快速多極子算法，主要研究了電磁聯(lián)合場(chǎng)積分方程（the electric andmagnetic current combined-field integral equation，JMCFIE）結(jié)合并行多層快速多極子算法求解均勻介質(zhì)體電磁問(wèn)題。對(duì)于有限元區(qū)域分解快速算法，主要研究了有限元區(qū)域分解算法中最強(qiáng)有力的算法之一的撕裂對(duì)接法（finite element tearing andinterconnecting Method, FETI）。對(duì)于區(qū)域分解高階合元極算法，首先設(shè)計(jì)了用于求解電大深腔散射問(wèn)題的按層消去算法，其次設(shè)計(jì)了針對(duì)采用高階疊層基函數(shù)的合元極h-p-MUS預(yù)處理算法。最后，將有限元區(qū)域分解算法與合元極算法結(jié)合起來(lái)，提出并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域分解合元極算法以及基于區(qū)域分解的合元極預(yù)處理技術(shù)，極大的提高了合元極算法的計(jì)算能力。同時(shí)，為了提高算法的計(jì)算能力與實(shí)際應(yīng)用性，結(jié)合了基于分布式消息傳遞方式的MPI以及基于共享內(nèi)存的OpenMP并行化實(shí)現(xiàn)。 在快速算法應(yīng)用方面，本文計(jì)算了一系列極具挑戰(zhàn)性的實(shí)際問(wèn)題。利用并行均勻介質(zhì)面積分方程多層快速多極子算法，快速精確計(jì)算了直徑達(dá)240波長(zhǎng)，，未知數(shù)過(guò)億的電大均勻介質(zhì)體目標(biāo)散射問(wèn)題。同時(shí)，將算法引入到具有重大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)操控-光鑷技術(shù)的仿真計(jì)算中來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意形狀均勻目標(biāo)粒子在有形波束中輻射壓力與輻射扭矩的計(jì)算，以及對(duì)任意形狀軟體粒子的表面張力的仿真分析。利用區(qū)域分解合元極算法解決了過(guò)億未知數(shù)模擬的大型微帶天線(xiàn)陣列的計(jì)算；利用并行高階合元極算法計(jì)算了尺寸為4040100的電大深腔以及復(fù)雜的帶有發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的飛機(jī)進(jìn)氣道模型；最終利用并行區(qū)域分解高階合元極算法計(jì)算分析了電大尺寸非均勻結(jié)構(gòu)或周期性結(jié)構(gòu)，如電大涂敷結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)，周期性陣列結(jié)構(gòu)如天線(xiàn)陣、頻率選擇表面等的散射特性。
[Abstract]:In order to solve the typical problems in practical electromagnetic engineering application, such as the calculation and analysis of electrically large deep cavity, electrically large dielectric body and coating body, this paper applies the fast algorithm of multipole and domain decomposition to the moment method of the uniform medium area partial equation. The fast algorithms of finite element method, mixed finite element method, boundary element method and multilayer fast multipole method are designed, implemented, and their numerical properties are studied to improve the computational power of electromagnetic simulation. At the same time, the fast algorithm is applied to analyze the target characteristics, optical tweezers technology and so on, which solves a series of practical problems in engineering applications. In the aspect of fast algorithm, this paper mainly studies the multilayer fast multipole algorithm, the finite element domain decomposition fast algorithm, the domain decomposition high order combining pole algorithm. For the multilayer fast multipole algorithm of uniform dielectric area subequation, the electromagnetic field integral equation and the electric andmagnetic current combined-field integral equation- JMCFIEs are studied to solve the electromagnetic problem of homogeneous dielectric volume with parallel multilayer fast multipole algorithm. For the fast algorithm of finite element domain decomposition, finite element tearing andinterconnecting method (FETI), one of the most powerful algorithms of finite element domain decomposition, is studied in this paper. For the domain decomposition high-order combinatorial pole algorithm, firstly, a layer-elimination algorithm is designed to solve the scattering problem of electrically large deep cavity, and then a h-p-MUS preprocessing algorithm based on the higher-order laminated basis function is designed to solve the problem of electrically large cavity scattering. Finally, combining the finite element domain decomposition algorithm and the combining pole algorithm, the paper proposes and implements the domain decomposition combining pole algorithm and the preprocessing technology based on domain decomposition, which greatly improves the computing ability of the combined pole algorithm. At the same time, in order to improve the computing power and practical application of the algorithm, the MPI based on distributed messaging and the parallel implementation of OpenMP based on shared memory are combined. In the application of fast algorithm, this paper calculates a series of challenging practical problems. By using the multilayer fast multipole algorithm of parallel homogeneous dielectric area equations, the scattering problem of electrically large homogeneous dielectric bodies with a diameter of 240 wavelength and over 100 million is calculated quickly and accurately. At the same time, the algorithm is introduced into the simulation calculation of optical manipulation-optical tweezers technology, which has great practical application value, and the radiation pressure and radiation torque of arbitrary uniform target particles in visible beam are calculated. And the simulation analysis of surface tension of soft particles with arbitrary shape. The computation of large microstrip antenna array simulated by unknowns is solved by using the domain decomposition combining pole algorithm. The parallel high-order joint pole algorithm is used to calculate the large electrically large cavity with size of 4040100 and the complex aircraft intake port model with engine blade structure. Finally, the scattering characteristics of electrically large non-uniform or periodic structures, such as electrically large coated structures, composite structures, periodic array structures such as antenna arrays and frequency-selective surfaces, are calculated and analyzed by using parallel domain decomposition high-order combining pole algorithm.
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM15

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1867858