基于GiD的并行FDTD及其混合方法研究.pdf

1、并行時(shí)域有限差分方法(FDTD)充分發(fā)揮了高性能計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，提高了復(fù)雜大型電磁問(wèn)題的分析能力。以氣動(dòng)，電磁分析一體化研究為目的，從計(jì)算流體力學(xué)中引入電磁計(jì)算領(lǐng)域的時(shí)域有限體積方法(FVTD)具有建模上的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)計(jì)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(diǎn)，更適合于彎曲表面或傾斜結(jié)構(gòu)電磁問(wèn)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(diǎn)，提出以GiD的Cartesian網(wǎng)格剖分器為基

2、礎(chǔ)，開(kāi)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(jì)算模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集建模、剖分、計(jì)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(dá)散射截面的計(jì)算以及天線遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖的計(jì)算中；
　　2)從場(chǎng)值通信的角度介紹并實(shí)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?fù)涞母拍?，以提高并行效率?jié)約計(jì)算時(shí)間。介紹了硬件平臺(tái)，軟件環(huán)境等并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。給出

3、實(shí)現(xiàn)并行FDTD方法的三種場(chǎng)值通信結(jié)構(gòu)，并著重研究了數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)對(duì)并行效率的影響。根據(jù)最佳虛擬拓?fù)涞慕Y(jié)論，以小型工作站為硬件平臺(tái)計(jì)算了復(fù)雜電大目標(biāo)的散射問(wèn)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(shí)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(jì)算方法，以及基于面心場(chǎng)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(duì)非TE

4、M傳輸結(jié)構(gòu)的通量進(jìn)行了修正，以得到端口面上正確的切向場(chǎng)，計(jì)算了矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，得到了正確的計(jì)算結(jié)果；
　　4)研究了基于GiD的FDTD-FVTD混合算法，并實(shí)現(xiàn)以此為核心算法的數(shù)值仿真軟件包。對(duì)FDTD和FVTD方法中單個(gè)網(wǎng)格所消耗的計(jì)算資源進(jìn)行了對(duì)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(shì)，但網(wǎng)格量巨大，消耗的計(jì)算資源較多，結(jié)合FDTD方法簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)混合方法所需網(wǎng)格交界面的構(gòu)造過(guò)程，并采用混合方法分析了彎曲表面目標(biāo)的散射特性；
　　5)提出采用局部時(shí)間步方案來(lái)提高FDTD-FVTD算法的計(jì)算效率。傳統(tǒng)FVTD方法中，時(shí)間步取決于“質(zhì)量最差”的網(wǎng)格，這樣會(huì)消耗大量的計(jì)算時(shí)間。局部時(shí)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(jì)算各自的時(shí)間步，各網(wǎng)格以不同的時(shí)間步進(jìn)行迭代。該方案對(duì)網(wǎng)格剖分沒(méi)有特殊要求。FVTD區(qū)域網(wǎng)格重構(gòu)過(guò)程中需要同一時(shí)間步鄰近網(wǎng)格的場(chǎng)值，其可通

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