基于GiD的并行FDTD及其混合方法研究.pdf

1、并行時域有限差分方法(FDTD)充分發(fā)揮了高性能計算機的優(yōu)勢，提高了復(fù)雜大型電磁問題的分析能力。以氣動，電磁分析一體化研究為目的，從計算流體力學(xué)中引入電磁計算領(lǐng)域的時域有限體積方法(FVTD)具有建模上的優(yōu)勢，但對計算資源的消耗較大。FDTD-FVTD混合方法結(jié)合了兩種方法的優(yōu)點，更適合于彎曲表面或傾斜結(jié)構(gòu)電磁問題的仿真。本文的主要工作可以概括為：
　　1)根據(jù)FDTD方法的具體特點，提出以GiD的Cartesian網(wǎng)格剖分器為基

2、礎(chǔ)，開發(fā)適用于并行FDTD算法的數(shù)值仿真工具。將具有前處理和后處理功能的通用軟件GiD與數(shù)值計算模塊相結(jié)合，實現(xiàn)集建模、剖分、計算以及結(jié)果顯示于一體的數(shù)值仿真軟件包，并成功應(yīng)用于散射參數(shù)提取，雙站雷達散射截面的計算以及天線遠區(qū)輻射方向圖的計算中；
　　2)從場值通信的角度介紹并實現(xiàn)了基于MPI的并行FDTD方法，提出并行FDTD算法中最佳虛擬拓撲的概念，以提高并行效率節(jié)約計算時間。介紹了硬件平臺，軟件環(huán)境等并行計算實現(xiàn)的基礎(chǔ)。給出

3、實現(xiàn)并行FDTD方法的三種場值通信結(jié)構(gòu)，并著重研究了數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)對并行效率的影響。根據(jù)最佳虛擬拓撲的結(jié)論，以小型工作站為硬件平臺計算了復(fù)雜電大目標的散射問題；
　　3)研究了基于GiD的以非結(jié)構(gòu)格子中心型FVTD方法，并實現(xiàn)了以此為核心算法的數(shù)值仿真軟件包。研究了Steger-Warming分裂和近似黎曼解兩種通量計算方法，以及基于面心場值的重構(gòu)方法。給出TEM模傳輸結(jié)構(gòu)的S參數(shù)提取方法，分析了平板波導(dǎo)及同軸線纜的S參數(shù)。對非TE

4、M傳輸結(jié)構(gòu)的通量進行了修正，以得到端口面上正確的切向場，計算了矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，得到了正確的計算結(jié)果；
　　4)研究了基于GiD的FDTD-FVTD混合算法，并實現(xiàn)以此為核心算法的數(shù)值仿真軟件包。對FDTD和FVTD方法中單個網(wǎng)格所消耗的計算資源進行了對比。FVTD方法采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格剖分，具有建模上的優(yōu)勢，但網(wǎng)格量巨大，消耗的計算資源較多，結(jié)合FDTD方法簡單高效的優(yōu)點，提出使用FDTD-FVTD混合方法，給出混合方法的基本

5、理論以及實現(xiàn)混合方法所需網(wǎng)格交界面的構(gòu)造過程，并采用混合方法分析了彎曲表面目標的散射特性；
　　5)提出采用局部時間步方案來提高FDTD-FVTD算法的計算效率。傳統(tǒng)FVTD方法中，時間步取決于“質(zhì)量最差”的網(wǎng)格，這樣會消耗大量的計算時間。局部時間步方案中，根據(jù)網(wǎng)格所在區(qū)域按照相應(yīng)的穩(wěn)定性條件計算各自的時間步，各網(wǎng)格以不同的時間步進行迭代。該方案對網(wǎng)格剖分沒有特殊要求。FVTD區(qū)域網(wǎng)格重構(gòu)過程中需要同一時間步鄰近網(wǎng)格的場值，其可通

6、過線性插值來得到。FDTD區(qū)域網(wǎng)格大小均勻，按照統(tǒng)一的時間步進行迭代。數(shù)值算例表明在不損失精度的前提下局部時間步方案大大提升了混合方法的計算效率；
　　6)FDTD-FVTD混合方法中，在FVTD區(qū)域引入FST技術(shù)來解決具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的3D有耗媒質(zhì)問題。將有耗媒質(zhì)問題分為兩個獨立子問題，第一個子問題與無耗媒質(zhì)的處理方法一致，第二個子問題可得到解析解。FST技術(shù)在每一時間步上，按照無耗媒質(zhì)問題的時間步進方案迭代完成之后，再根據(jù)解析