时域有限元高阶方法的应用研究

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论文首先对时域有限元(FETD)方法中使用的吸收边界条件(各向异性介质完全匹配层(PML))作了研究,并利用改进的PML作为吸收边界条件对微波电路进行了分析;接着又研究了用曲六面体离散物体模型的时域谱元法,分析了微波电路结构。   在基于麦克斯韦旋度方程的时域有限元方法中,对计算区域采用四面体单元进行离散,从而能够方便地对目标的复杂几何结构和介质组成特性进行精确模拟;对空间的场量E和B分别利用Whitney棱边基函数和面基函数进行插值展开,同时利用棱边基函数的旋度等于包含该棱边的面的基函数的线性组合这一关系,简化了对麦克斯韦方程组的求解。   将数值计算方法应用于开域问题时,需要在计算区域的边界设置适当的截断边界条件,在时域有限元方法中,主要利用各向异性介质完全匹配层(PML)来截断计算区域。对于时域方法中的PML,选取合适的层数及其参数值,就能很好的吸收外向波。为了解决普通PML对凋落波吸收效果不理想的问题,本文研究了复频移(complex frequencyshified-CFS)PML,CFS-PML可以有效的解决对凋落波的吸收问题,但是却降低了在低频区域吸收传输波的有效性。为了最终实现在PML区域对凋落波和低频分量同时有效吸收的目的,本文又研究了二阶PML,二阶PML同时拥有了普通PML和CFS-PML的优点,数值结果显示,二阶PML可以同时对凋落波和低频分量进行有效的吸收,而且,二阶PML也在很大程度上减少了计算所需的PML层数。   时域谱元法可认为是一种特殊形式的有限元方法,它运用了有限元的基本思想,与有限元的不同在于基函数的选取。它的优点在于采用特定的距交多项式作为基函数,随着多项式阶数的提高,计算误差将呈指数下降;另外,对于计算空间,如果采用正六面体离散,则得到的质量矩阵为对角阵;如果采用曲面六面体离散,则得到的质量矩阵为块对角阵,则可用块对角矩阵的求逆方法事先求出质量矩阵的逆,使整个方程的求解变为显式,可降低计算量。   随着所需解决问题尺寸的增加,单台计算机的速度和内存已不能满足科学技术和工程问题的需求,而并行计算技术正是可以高效利用计算机资源的一种方法;还有由于谱元法所形成的质量矩阵为块对角阵,使得时域谱元法具备很好的并行性。因此,也将并行技术应用于时域谱元法,来分析更大尺寸结构问题。
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