时变电磁场计算的隐式DTS-FVTD方法

1

作者 许勇 丁明松 +2 位作者 江涛 李鹏 傅杨奥骁 《电波科学学报》 北大核心 2025年第2期294-300,共7页

为保持时间精度和提高计算效率,将双时间步(dual time-stepping,DTS)方法和隐式上下对称高斯-赛德尔迭代(lower-upper symmetric Gauss-Seidel,LU-SGS)算法引入到时域有限体积(finite-volume time-domain,FVTD)法电磁解算器中,提出一种... 为保持时间精度和提高计算效率,将双时间步(dual time-stepping,DTS)方法和隐式上下对称高斯-赛德尔迭代(lower-upper symmetric Gauss-Seidel,LU-SGS)算法引入到时域有限体积(finite-volume time-domain,FVTD)法电磁解算器中,提出一种时变电磁场计算的隐式DTS-FVTD方法。DTS法具有2阶时间精度,无条件稳定格式使物理时间步可取任意值,其取值仅须考虑时间精度要求,而定常虚拟时间导数趋于零,虚拟时间步长满足稳定性要求,由此放松了通常显式方法和网格对物理时间步长的限制。全隐格式的前后向LU-SGS算法采用大库朗数计算,并取消矩阵求逆运算从而减少了计算量和存储占用。典型二维、三维和复杂外形目标电磁散射计算结果表明,通过对物理时间步长、最大子迭代步数、子迭代收敛判据的合理选取,隐式DTS-FVTD方法能保证数值模拟精度并提升计算效率。 展开更多

关键词 双时间步(DTS)方法 隐式上下对称高斯-赛德尔迭代(LU-SGS) 时域有限体积(fvtd)法 雷达散射截面(RCS)

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时域电磁计算的LU分解ADI-FVTD方法

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作者 许勇 牟斌 《微波学报》 CSCD 北大核心 2024年第S1期1-4,共4页

本文提出一种新的时变电磁场交替方向全隐有限体积计算方法,麦克斯韦方程组和空气动力学欧拉方程同为双曲型偏微分方程组,因此计算流体力学(CFD)技术能够在计算电磁学(CEM)中得到推广求解高精度电磁场。不同于ADI-FDTD仅采用物理时间求... 本文提出一种新的时变电磁场交替方向全隐有限体积计算方法,麦克斯韦方程组和空气动力学欧拉方程同为双曲型偏微分方程组,因此计算流体力学(CFD)技术能够在计算电磁学(CEM)中得到推广求解高精度电磁场。不同于ADI-FDTD仅采用物理时间求导项,本文采用双时间方法添加定常虚拟时间导数项,使得物理时间推进步长仅由数值精度决定而不受稳定性限制,稳定性则由虚拟时间子迭代满足。本文隐式迭代采用雅可比系数矩阵分裂,得到在不同方向上的交替方向追赶法(ADI),隐式通量计算采用Steger-Warming分裂,并逐维度进行LU前后向迭代求解,如此得到全隐时变电磁场数值模拟,在保持高数值精度同时,节省计算时间并提升计算效率。 展开更多

关键词 计算流体力学 麦克斯韦方程组 交替方向隐式 时域有限体积法 电磁场

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基于有限体积法的河网水动力并行计算模型 被引量：11

3

作者 宋利祥 李清清 +2 位作者 胡晓张 杨芳 陈文龙 《长江科学院院报》 CSCD 北大核心 2019年第5期7-12,共6页

针对具有干河床、急缓流态交替的河网水动力模拟,采用MUSCL-Hancock有限体积格式离散Saint-Venant方程组,运用汊点水位预测-校正法处理河网汊点连接条件,建立了断面与河道完全数值解耦的复杂河网水动力模型。运用OpenMP和OpenACC编程模... 针对具有干河床、急缓流态交替的河网水动力模拟,采用MUSCL-Hancock有限体积格式离散Saint-Venant方程组,运用汊点水位预测-校正法处理河网汊点连接条件,建立了断面与河道完全数值解耦的复杂河网水动力模型。运用OpenMP和OpenACC编程模式分别实现了CPU,GPU并行计算。采用经典算例对模型计算精度进行了验证,采用珠三角河网实际算例对不同并行计算方式的加速效果进行了分析。算例研究表明,该模型具有良好的稳定性和计算效率,可适用于陡坡河道水动力模拟,具有较好的推广应用价值。 展开更多

关键词 河网 水动力模型 有限体积法 GPU并行计算 CPU并行计算 数值模拟

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轴对称高速碰撞问题的拉格朗日无结构网格有限体积法的并行计算

4

作者 梁珍璇 李荫藩 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 1997年第3期220-227,共8页

给出计算轴对称高速碰撞问题的拉格朗日无结构三角形网格有限体积法的并行格式。

关键词 高速碰撞 无结构网格有限体积法 并行计算

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双时间步时域有限体积方法计算时变电磁场 被引量：2

5

作者 许勇 黄勇 周铸 《电波科学学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第4期647-652,共6页

双时间步被引入到时域有限体积解算器这一直接求解麦克斯韦方程组的高精度数值方法中.双时间步方法作为非定常时间推进技巧,时间精度由物理时间步长决定,稳定性要求由定常子迭代时间步长所满足,从而放松了通常显式时间格式和网格对物理... 双时间步被引入到时域有限体积解算器这一直接求解麦克斯韦方程组的高精度数值方法中.双时间步方法作为非定常时间推进技巧,时间精度由物理时间步长决定,稳定性要求由定常子迭代时间步长所满足,从而放松了通常显式时间格式和网格对物理时间步长的限制,达到节约计算量的目的.典型目标电磁散射计算表明:通过对物理时间步长、最大子迭代步数、子迭代收敛判据的合理选取,双时间步方法在保证计算精度的同时,能提高计算效率. 展开更多

关键词 双时间步 时域有限体积法 电磁散射 雷达截面

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非结构网格上Euler方程的区域分裂算法及并行计算 被引量：2

6

作者 司海青 王同光 成娟 《空气动力学学报》 EI CSCD 北大核心 2006年第1期102-108,119,共8页

改进了“波阵面”区域分裂算法,并应用于流场区域的划分;对于子区域边界的不光滑现象,为尽量减少通讯消耗,提出了一种边界并行优化策略。利用PVM并行环境,探讨了非结构网格上求解Euler方程的分区并行算法。根据改进的区域分裂算法及优... 改进了“波阵面”区域分裂算法,并应用于流场区域的划分;对于子区域边界的不光滑现象,为尽量减少通讯消耗,提出了一种边界并行优化策略。利用PVM并行环境,探讨了非结构网格上求解Euler方程的分区并行算法。根据改进的区域分裂算法及优化策略,运用Jameson有限体积法,对二维翼型流场进行了分区并行求解,多区计算的结果与单区计算的结果作了比较,表明了本文研究方法的有效性。 展开更多

关键词 区域分裂算法 非结构网格 EULER方程 有限体积法 并行计算

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二维水动力模型的并行计算研究 被引量：21

7

作者 左一鸣 崔广柏 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第6期846-850,共5页

建立了二维水动力并行模型;针对MPI不能实现进程迁移现状,自主开发了并行通讯平台,平台机群负载平衡采用基于蚁群算法的人工智能算法,并根据模型需要制定了相关通讯协议;对长江内江段进行数值模拟,结果表明当网格数一定时,存在一最优客... 建立了二维水动力并行模型;针对MPI不能实现进程迁移现状,自主开发了并行通讯平台,平台机群负载平衡采用基于蚁群算法的人工智能算法,并根据模型需要制定了相关通讯协议;对长江内江段进行数值模拟,结果表明当网格数一定时,存在一最优客户端数,当客户端数小于最优客户端数时,并行算法所需时间小于串行算法时间,并随着客户端数增加,所需时间也逐渐减少;反之,所需时间则逐渐增大。 展开更多

关键词 二维水动力模型 并行计算 浅水方程 有限体积法 蚁群算法

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电大尺寸目标电磁散射的并行FVTD计算 被引量：1

8

作者 许勇 黄勇 余永刚 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2017年第6期797-800,共4页

实际目标的高频电磁散射模拟属于电大尺寸目标电磁计算问题,其高精度数值计算通常伴随着大存储量和大计算量的沉重负担。为保证高精度数值计算,构建了直接求解电磁学麦克斯韦方程组,采用贴体多块结构网格的时域有限体积法(FVTD)解算器... 实际目标的高频电磁散射模拟属于电大尺寸目标电磁计算问题,其高精度数值计算通常伴随着大存储量和大计算量的沉重负担。为保证高精度数值计算,构建了直接求解电磁学麦克斯韦方程组,采用贴体多块结构网格的时域有限体积法(FVTD)解算器。为解决大规模网格带来的大计算量问题,则采用MPI并行编程,进行网格多进程分割、负载平衡以及进程通信设置和程序并行化处理,成功地对电大尺寸飞翼外形进行了L波段双站电磁散射场和雷达截面(RCS)计算。结果表明pmbRCS3d这一并行高精度电磁散射模拟软件具有稳定和鲁棒特性,适合进一步应用于目标更高频段电磁散射计算。 展开更多

关键词 麦克斯韦方程组 时域有限体积法(fvtd)并行计算 L波段 雷达截面(RCS)

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平面二维非均匀泥沙OpenMP并行计算模型 被引量：2

9

作者 于守兵 《水利水电科技进展》 CSCD 北大核心 2012年第2期11-14,共4页

为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循... 为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循环计算和数组整体操作部分嵌入OpenMP循环并行指令和数组并行指令,即可实现并行计算。案例分析结果表明,在并行线程数目等于计算机固有线程数目时,并行加速比达到最大值1.55;OpenMP技术使用线程间共享内存的方式协调并行计算,很适合在多核计算机上运行,且编程简单灵活,将随着计算机硬件性能的提高得到更广泛的应用。 展开更多

关键词 OPENMP 并行计算 非均匀泥沙模型 有限体积法

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红黑着色的相场两相流并行投影算法

10

作者 王小双 张良奇 +1 位作者 肖姚 曾忠 《重庆大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期75-85,共11页

提出一种交错并行的有限体积投影算法求解基于相场法的两相流控制方程组。该算法的实施主要依赖于压力泊松方程的显式推进设计,从而突破投影算法求解不可压Navier-Stokes方程的效率瓶颈。同时,提出了一种交错扫描策略来更新节点上的变量... 提出一种交错并行的有限体积投影算法求解基于相场法的两相流控制方程组。该算法的实施主要依赖于压力泊松方程的显式推进设计,从而突破投影算法求解不可压Navier-Stokes方程的效率瓶颈。同时,提出了一种交错扫描策略来更新节点上的变量,以实现更紧凑的时空耦合。本算法与相场模型相结合,能够高效、准确地捕获相界面的动态拓扑变化。测试算例结果表明:网格量为131 072,采用8线程CPU并行时,新提出并行算法的效率达到串行标准投影算法的80倍以上。 展开更多

关键词 两相流 相场法 有限体积法 投影算法 并行计算

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波浪中载液船舶运动的时域模拟 被引量：6

11

作者 李裕龙 朱仁传 +2 位作者 缪国平 范菊 范佘明 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第3期379-384,共6页

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程.该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别... 基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程.该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率.研究结果表明:通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好. 展开更多

关键词 液舱晃荡 脉冲响应函数 有限体积法 运动耦合 时域模拟

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Scramjet燃烧室流场的三维并行数值模拟及试验比较 被引量：1

12

作者 郑忠华 乐嘉陵 《流体力学实验与测量》 CSCD 北大核心 2002年第2期9-15,共7页

作者采用时间相关法,通过有限体积离散,运用带化学反应的全N S方程,在神州巨型机上,针对试验模型,对油气比Φ=0.0和0.35的喷氢Scramjet燃烧室流场进行了三维并行数值模拟,得到了流场的精细结构。并行模拟所得壁面压力分布与试验所测得... 作者采用时间相关法,通过有限体积离散,运用带化学反应的全N S方程,在神州巨型机上,针对试验模型,对油气比Φ=0.0和0.35的喷氢Scramjet燃烧室流场进行了三维并行数值模拟,得到了流场的精细结构。并行模拟所得壁面压力分布与试验所测得的壁面压力分布吻合较好。 展开更多

关键词 试验比较 有限体积法 并行计算 Scramjet燃烧室 流场 数值模拟

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流域网格中嵌入式复杂声源的时域传播仿真

13

作者 申肖雪 卢浩 肖友刚 《声学技术》 CSCD 北大核心 2017年第5期405-409,共5页

针对声学商业软件较难模拟任意形状、时变复杂声源的声辐射问题,使用有限体积法在时域内求解无声源项亥姆霍兹(Helmholtz)方程,将复杂声源嵌入到有限体积单元节点,推导了由给定声源表面声压或振动位移得到速度势公式,提高了声源处理的... 针对声学商业软件较难模拟任意形状、时变复杂声源的声辐射问题,使用有限体积法在时域内求解无声源项亥姆霍兹(Helmholtz)方程,将复杂声源嵌入到有限体积单元节点,推导了由给定声源表面声压或振动位移得到速度势公式,提高了声源处理的灵活性和计算效率。该方法允许对初始场问题及复杂时变声源声辐射进行仿真。对常见声源及二阶圆柱体声源声辐射进行了数值模拟,结果与解析解及商业软件结果进行了对比,误差均小于15%。程序具有良好的封装性及通用性,可以灵活地对不同声源进行组合,得出任意复杂声源时域的传播规律,为复杂声源声辐射等线性声学问题的研究提供了一个可靠的平台。 展开更多

关键词 复杂声源 时域 有限体积法 声辐射

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爆炸冲击载荷作用下流固耦合数值模拟 被引量：9

14

作者 郭攀 刘君 武文华 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2013年第2期283-287,共5页

建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序框架,通过串联弱耦合方式对爆炸冲击波作用下流固耦合效应进行数值模拟.其中非线性固体位移场采用基于Lagrange方法描述的时域间断伽辽金有限元方法进行处理.基于修正弹簧近似的非结构动... 建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序框架,通过串联弱耦合方式对爆炸冲击波作用下流固耦合效应进行数值模拟.其中非线性固体位移场采用基于Lagrange方法描述的时域间断伽辽金有限元方法进行处理.基于修正弹簧近似的非结构动网格新技术,非定常流场采用格心格式的有限体积方法进行求解.数值模拟结果表明:该文所发展的弱耦合分析程序在流固耦合数值模拟过程中具有可靠的计算精度.同时,程序对于爆炸强间断气动冲击载荷冲击作用下固体变形引起流场的反射和叠加效应,以及流场变化引起复杂的固体响应具有良好的耦合求解能力. 展开更多

关键词 时域间断伽辽金有限元法 爆炸冲击波 有限体积法 非结构动网格

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基于CFD的电磁散射数值模拟 被引量：8

15

作者 许勇 乐嘉陵 《空气动力学学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第2期185-189,共5页

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格... 计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法。TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法。 展开更多

关键词 CFD 电磁散射 数值模拟 计算流体力学 时域有限体积法 雷达散射截面

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低速流场中的声传播模拟 被引量：1

16

作者 倪大明 张文平 明平剑 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第10期1311-1316,共6页

为了研究流噪声的产生机理,且考虑介质粘性和流场对声传播的影响,采用分解法对低速流场中的声传播进行数值模拟.基于非结构化网格,采用有限体积法对时域上低速流的声传播问题进行研究.把可压缩N-S方程分解成不可压N-S方程和声扰动方程,... 为了研究流噪声的产生机理,且考虑介质粘性和流场对声传播的影响,采用分解法对低速流场中的声传播进行数值模拟.基于非结构化网格,采用有限体积法对时域上低速流的声传播问题进行研究.把可压缩N-S方程分解成不可压N-S方程和声扰动方程,并采用SIMPLE算法来求解声扰动方程,吸收边界采用DRP(保持色散关系)无反射边界.对流场低马赫数声传播过程的模拟显示,数值计算结果与声学理论预测符合良好,证明了该方法的正确性,为复杂流动的声传播以及流噪声的计算模拟奠定了基础. 展开更多

关键词 非结构化网格 有限体积法 时域 低速流 声传播

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多区域湍流燃烧大涡模拟

17

作者 赵庆良 张飞驰 +3 位作者 张琳 HENNING Bockhorn 许伟刚 柳林 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第2期324-331,共8页

为了提高湍流大涡模拟方法在计算复杂工业燃烧设备中反应流体的效率和精度,提出了可以对结构复杂燃烧设备喷嘴内部无反应区域只求解基本流体控制方程,对喷嘴下游燃料反应区域加入燃烧模型进行分区域计算的多区域求解方法,并采用该方法... 为了提高湍流大涡模拟方法在计算复杂工业燃烧设备中反应流体的效率和精度,提出了可以对结构复杂燃烧设备喷嘴内部无反应区域只求解基本流体控制方程,对喷嘴下游燃料反应区域加入燃烧模型进行分区域计算的多区域求解方法,并采用该方法和传统单区域求解方法分别对甲烷-空气预混合湍流燃烧进行大涡模拟.研究结果表明：多区域和单区域求解方法计算所得的轴向和径向时均速度、脉动速度以及OH质量分数一致;不过,多区域求解方法在计算速度上有明显优势,当CPU数量不超过64个时,计算速度可提升14.7%~20.6%;多区域和单区域方法的数值模拟结果与实验值进行了对比,三者吻合较好. 展开更多

关键词 有限体积法 湍流燃烧 数值模拟 亚网格尺度模型 多区域求解方法 并行计算

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三维不规则窦房结电生理模型的建立及其图形实现

18

作者 张虹 刘袁 +1 位作者 刘炀 金印彬 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第5期43-47,共5页

针对窦房结三维电生理建模复杂、仿真运算量大等问题,提出了一种有效的解决方法。首先利用建模软件建立右心房三维不规则立体模型,再利用网格划分软件剖分为四面体网格,最后根据网格的位置赋予窦房结和心房细胞属性建立电生理模型。数... 针对窦房结三维电生理建模复杂、仿真运算量大等问题,提出了一种有效的解决方法。首先利用建模软件建立右心房三维不规则立体模型,再利用网格划分软件剖分为四面体网格,最后根据网格的位置赋予窦房结和心房细胞属性建立电生理模型。数值解算时采用算子分裂法和有限体积法,分别对反应-扩散方程和单纯描述电扩布的微分方程进行了处理,同时利用高性能图形处理单元(GPU)在CUDA(compute unified device architecture)编程环境下实现程序的并行加速。另外,从减少CPU和GPU间的数据交换频率、参量存储方式等多方面对程序加以优化。计算结果表明,所建模型无论是单细胞动作电位还是膜电位的传导均符合正常的电生理特征。通过与串行程序及基于4核8线程CPU编写的共享内存式OpenMP并行程序进行比较,基于GPU的CUDA程序可将运行耗时减少90%以上,CPU和GPU间的数据交换仅占总耗时的3%,且组织模型越大,网格划分越细致,GPU的加速效果愈显著。 展开更多

关键词 图形处理单元 并行计算 窦房结 有限体积法

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