本文關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬 時(shí)域算法 多物理場(chǎng) 高性能計(jì)算 穩(wěn)態(tài)收斂策略 共形技術(shù) 并行加速 場(chǎng)路耦合算法 電磁粒子相互作用 無(wú)源互調(diào) 非線性分析　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：進(jìn)入21世紀(jì),隨著高功率微波、深空探索、等離子體物理等新興領(lǐng)域的發(fā)展,人們迫切希望了解電磁場(chǎng)與其它物理場(chǎng)之間的相互作用,這種需求促進(jìn)了多物理場(chǎng)數(shù)值算法的研究。多物理場(chǎng)數(shù)值算法的研究跨越了多個(gè)物理學(xué)科,例如電磁學(xué)、物理電子學(xué)、量子力學(xué)、生物電子、熱學(xué)、彈性力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。當(dāng)前,多物理場(chǎng)數(shù)值算法正處于不斷完善的階段,因而存在著非常多的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),例如計(jì)算精度的可控性、大規(guī)模計(jì)算帶來(lái)的效率問(wèn)題、多物理場(chǎng)之間的耦合問(wèn)題等。本文在兩項(xiàng)國(guó)家973項(xiàng)目的資助下,圍繞著高性能多物理場(chǎng)數(shù)值算法及其應(yīng)用這一課題開(kāi)展了研究,并在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩方面均取得了創(chuàng)新性的研究成果。在理論研究方面,為了能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)、更快和更智能的高性能多物理場(chǎng)數(shù)值求解算法,本文做了如下創(chuàng)新性研究：1. 為了開(kāi)發(fā)出新型多物理場(chǎng)場(chǎng)數(shù)值算法,本文融合經(jīng)典的有限積分算法和時(shí)域有限差分算法的優(yōu)點(diǎn)提出了時(shí)域有限積分算法。由于該算法可以有效地消除空間差分帶來(lái)的階梯近似誤差,因而其計(jì)算精度顯著高于時(shí)域有限差分算法。而相比于有限積分算法,新算法由于避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算,因而在代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以更加簡(jiǎn)潔高效,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在并行化計(jì)算過(guò)程中尤為突出。本文基于新算法數(shù)值求解了多物理場(chǎng)中的幾個(gè)基本物理方程,實(shí)現(xiàn)了多物理場(chǎng)的數(shù)值模擬。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Trans. Electron Devices、IEEE Trans. Plasma Science和IEEE Antennas Propag. Magazine。2.為了提高新算法在模擬多物理場(chǎng)時(shí)的計(jì)算精度,本文結(jié)合時(shí)域有限積分算法的天然共形特性,提出了電磁共形技術(shù)和粒子共形技術(shù)。電磁共形技術(shù)包括一致性共形迭代算法和電磁共形信息提取技術(shù)。粒子共形技術(shù)包括粒子共形邊界的碰撞模型和粒子共形信息提取技術(shù)。以上方法有效地克服了傳統(tǒng)算法中的空間離散誤差,因而可以顯著地提高多物理場(chǎng)數(shù)值算法的計(jì)算精度。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Trans. Antennas Propag.和IEEE Trans. Electron Devices。3.為了提高新算法在模擬多物理場(chǎng)時(shí)的計(jì)算速度和計(jì)算規(guī)模,本文結(jié)合時(shí)域有限積分算法的天然并行特性,提出了一種新型的MPI-OpenMP-GPU (MOG)混合并行技術(shù)。這種并行策略集成了現(xiàn)有并行算法的各自優(yōu)點(diǎn),MPI部分可以有效地利用分布式內(nèi)存,實(shí)現(xiàn)電大目標(biāo)的計(jì)算；OpenMP部分則可以充分使用單機(jī)CPU的多線程資源,實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)并行的加速；而GPU部分利用自身大量并行核的優(yōu)勢(shì),完成數(shù)據(jù)級(jí)任務(wù)的并行。為了使各并行部分均能高效運(yùn)算,本文還提出了一種自適應(yīng)負(fù)載平衡策略。4. 為了使得新算法在模擬多物理場(chǎng)時(shí)更加智能化,本文提出了一種新型自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)收斂策略,該新型收斂策略可以更加智能化地判斷當(dāng)前迭代時(shí)刻是否達(dá)到了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這種智能化判斷過(guò)程,本文創(chuàng)新性地提出了衰減系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù),它們可以有效地克服傳統(tǒng)算法中提前收斂、非單調(diào)和不收斂的缺陷。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Trans. Microw Theory Tech。除了理論創(chuàng)新,本文還積極地將最新研究成果應(yīng)用到實(shí)際工程中,并在以下幾個(gè)工程領(lǐng)域取得了創(chuàng)新性研究成果：1.在新型超材料(Metamaterial)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,本文通過(guò)深入研究場(chǎng)-路耦合算法,詳細(xì)論述了經(jīng)典無(wú)體積式集總元件在超材料模擬時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)格色散誤差和結(jié)構(gòu)耦合失真的主要原因。借助這些研究成果,本文提出了一種新型的有限體積式集總元件模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型可以有效地消除超材料模擬時(shí)產(chǎn)生的網(wǎng)格色散誤差和結(jié)構(gòu)耦合失真。相關(guān)成果即將發(fā)表在IEEE Trans. Microw Theory Tech。2. 在高功率微波器件領(lǐng)域,為了能夠高效準(zhǔn)確地模擬器件內(nèi)部的電磁粒子強(qiáng)耦合效應(yīng),本文結(jié)合時(shí)域有限積分算法和粒子元胞算法(PIC:Particle-In-Cell),聯(lián)合求解了Maxwell方程及Newton-Lorentz方程。同時(shí),本文還深入研究了經(jīng)典Vaughan二次電子發(fā)射模型,并將其很好地拓展至自主研發(fā)的電磁粒子聯(lián)合模擬平臺(tái)。為了能夠使實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值方法在相同激勵(lì)形式下對(duì)電磁粒子的強(qiáng)耦合效應(yīng)進(jìn)行分析,本文基于局域?qū)Рǘ丝谔岢隽斯β史缔D(zhuǎn)換技術(shù)。測(cè)量結(jié)果表明,本文數(shù)值算法的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.和IEEE Trans. Electron Devices。3. 在多載波通信領(lǐng)域,為了能夠數(shù)值分析大功率多載波通信情況下的無(wú)源互調(diào)現(xiàn)象(PIM:Passive Intermodulation),本文提出了一種新型的場(chǎng)-路耦合求解方案。在該方案中,電磁場(chǎng)部分由時(shí)域有限積分算法進(jìn)行數(shù)值模擬,而多物理場(chǎng)產(chǎn)生的非線性電流響應(yīng)則用適當(dāng)數(shù)目的非線性集總元件表示,兩者之間的耦合過(guò)程通過(guò)全電流安培定理實(shí)現(xiàn)。為了解決PIM數(shù)值分析中的多尺度問(wèn)題,本文利用表面磁場(chǎng)巧妙地獲取了縫隙壓降。此外,基于共形技術(shù)建立了準(zhǔn)確的非線性集總元件的加載方式。以上問(wèn)題的解決使得PIM的數(shù)值分析成為可能。以上研究工作共在IEEE Trans. Antennas Propag、IEEE Trans. Microw Theory Tech、 IEEE Trans. Electron Devices等國(guó)內(nèi)外核心期刊發(fā)表(或錄用)第一作者學(xué)術(shù)論文11篇,國(guó)際會(huì)議論文6篇,其中SCI收錄9篇,EI收錄14篇。
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【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O411

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 廖臣;劉大剛;劉盛綱;;三維電磁粒子模擬并行計(jì)算的研究[J];物理學(xué)報(bào);2009年10期

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1 周俊;電磁粒子模擬方法及其應(yīng)用研究[D];電子科技大學(xué);2009年

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本文編號(hào)：1463515