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进入21世纪,随着高功率微波、深空探索、等离子体物理等新兴领域的发展,人们迫切希望了解电磁场与其它物理场之间的相互作用,这种需求促进了多物理场数值算法的研究。多物理场数值算法的研究跨越了多个物理学科,例如电磁学、物理电子学、量子力学、生物电子、热学、弹性力学、计算机科学等。当前,多物理场数值算法正处于不断完善的阶段,因而存在着非常多的严峻挑战,例如计算精度的可控性、大规模计算带来的效率问题、多物理场之间的耦合问题等。本文在两项国家973项目的资助下,围绕着高性能多物理场数值算法及其应用这一课题开展了研究,并在基础理论和工程应用两方面均取得了创新性的研究成果。在理论研究方面,为了能够实现更准、更快和更智能的高性能多物理场数值求解算法,本文做了如下创新性研究：1. 为了开发出新型多物理场场数值算法,本文融合经典的有限积分算法和时域有限差分算法的优点提出了时域有限积分算法。由于该算法可以有效地消除空间差分带来的阶梯近似误差,因而其计算精度显著高于时域有限差分算法。而相比于有限积分算法,新算法由于避免了复杂的矩阵运算,因而在代码实现过程中可以更加简洁高效,这个优点在并行化计算过程中尤为突出。本文基于新算法数值求解了多物理场中的几个基本物理方程,实现了多物理场的数值模拟。相关成果发表在IEEE Trans. Electron Devices、IEEE Trans. Plasma Science和IEEE Antennas Propag. Magazine。2.为了提高新算法在模拟多物理场时的计算精度,本文结合时域有限积分算法的天然共形特性,提出了电磁共形技术和粒子共形技术。电磁共形技术包括一致性共形迭代算法和电磁共形信息提取技术。粒子共形技术包括粒子共形边界的碰撞模型和粒子共形信息提取技术。以上方法有效地克服了传统算法中的空间离散误差,因而可以显著地提高多物理场数值算法的计算精度。相关成果发表在IEEE Trans. Antennas Propag.和IEEE Trans. Electron Devices。3.为了提高新算法在模拟多物理场时的计算速度和计算规模,本文结合时域有限积分算法的天然并行特性,提出了一种新型的MPI-OpenMP-GPU (MOG)混合并行技术。这种并行策略集成了现有并行算法的各自优点,MPI部分可以有效地利用分布式内存,实现电大目标的计算；OpenMP部分则可以充分使用单机CPU的多线程资源,实现任务级并行的加速；而GPU部分利用自身大量并行核的优势,完成数据级任务的并行。为了使各并行部分均能高效运算,本文还提出了一种自适应负载平衡策略。4. 为了使得新算法在模拟多物理场时更加智能化,本文提出了一种新型自适应稳态收敛策略,该新型收敛策略可以更加智能化地判断当前迭代时刻是否达到了系统稳态。为了实现这种智能化判断过程,本文创新性地提出了衰减系数和稳定系数,它们可以有效地克服传统算法中提前收敛、非单调和不收敛的缺陷。相关成果发表在IEEE Trans. Microw Theory Tech。除了理论创新,本文还积极地将最新研究成果应用到实际工程中,并在以下几个工程领域取得了创新性研究成果：1.在新型超材料(Metamaterial)设计领域,本文通过深入研究场-路耦合算法,详细论述了经典无体积式集总元件在超材料模拟时产生网格色散误差和结构耦合失真的主要原因。借助这些研究成果,本文提出了一种新型的有限体积式集总元件模型。实验结果表明,该模型可以有效地消除超材料模拟时产生的网格色散误差和结构耦合失真。相关成果即将发表在IEEE Trans. Microw Theory Tech。2. 在高功率微波器件领域,为了能够高效准确地模拟器件内部的电磁粒子强耦合效应,本文结合时域有限积分算法和粒子元胞算法(PIC:Particle-In-Cell),联合求解了Maxwell方程及Newton-Lorentz方程。同时,本文还深入研究了经典Vaughan二次电子发射模型,并将其很好地拓展至自主研发的电磁粒子联合模拟平台。为了能够使实验方法和数值方法在相同激励形式下对电磁粒子的强耦合效应进行分析,本文基于局域导波端口提出了功率幅值转换技术。测量结果表明,本文数值算法的结果与实验结果吻合很好。相关成果发表在IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.和IEEE Trans. Electron Devices。3. 在多载波通信领域,为了能够数值分析大功率多载波通信情况下的无源互调现象(PIM:Passive Intermodulation),本文提出了一种新型的场-路耦合求解方案。在该方案中,电磁场部分由时域有限积分算法进行数值模拟,而多物理场产生的非线性电流响应则用适当数目的非线性集总元件表示,两者之间的耦合过程通过全电流安培定理实现。为了解决PIM数值分析中的多尺度问题,本文利用表面磁场巧妙地获取了缝隙压降。此外,基于共形技术建立了准确的非线性集总元件的加载方式。以上问题的解决使得PIM的数值分析成为可能。以上研究工作共在IEEE Trans. Antennas Propag、IEEE Trans. Microw Theory Tech、 IEEE Trans. Electron Devices等国内外核心期刊发表(或录用)第一作者学术论文11篇,国际会议论文6篇,其中SCI收录9篇,EI收录14篇。