基于并行FDTD的非局域一体化建模及其应用

论文摘要

时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）算法作为一种时域迭代数值算法,其优势在于单次计算即可得到宽频结果,是电磁仿真技术的核心算法之一。FDTD广泛用于军事、科学研究和消费电子等领域,在飞机隐身与制导、光学器件与生物传感、微波器件与天线、电磁兼容与信号完整性等方面存在着广泛的应用。从提出到至今的几十年里,FDTD算法有了长足的发展,然而随着科学技术的进步,对电磁仿真技术与数值算法提出了更为苛刻的要求。如今FDTD算法在网格生成、计算效率、色散材料模型和计算平台设计等方面存在不足,难以满足当代电磁仿真计算需求。为了解决这些问题,本文主要完成了以下几个方面的工作:1、FDTD算法在工程应用中首先需要解决网格生成问题,对于简单几何模型可以基于几何定义生成Yee网格,然而对于复杂几何模型则需要借助网格生成算法。本文提出了一种基于射线追踪的新型网格生成算法,该算法容忍度高,适用于各类复杂模型结构。为了进一步优化网格生成算法,将射线追踪技术与层次包围盒（Bounding Volume Hierarchies,BVH）数据结构相结合,极大的提升了网格生成效率,与现有网格生成软件对比网格生成时间减少了两个数量级。此外本文提出的网格生成算法可直接结合计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）内核,将CAD设计软件输出的几何模型用于FDTD算法,节约了工程仿真时的几何建模时间。2、FDTD作为一种全波数值算法,在处理电大尺寸仿真时需要大量的计算资源和计算时间。为了充分利用计算资源并且减少仿真时间,本文提出了基于消息传递接口（Message Passing Interface,MPI）和 多线程技术（Open Multi-Processing,OpenMP）的 FDTD 混合并行算法,同 时将 FDTD 算法中 的材料色散模型、傅里叶变换以及总场散射场等关键技术全部并行处理,仿真结果表明混合并行算法与非并行算法内存占用相同,并行算法减少了仿真时间。混合并行算法的优点在于使用OpenMP的共享内存技术充分利用单机计算资源,再利用MPI的分布式内存技术进行集群计算,提高了计算资源的利用效率。3、纳米光学中由于金属尺寸减少,量子效应越发明显从而出现非局域现象,此时金属表面的自由电子可由流体动力学方程描述,简化后的流体动力学方程与麦克斯韦方程耦合得到非局域色散模型。本文提出将非局域色散模型应用于FDTD算法中,仿真结果表明消光截面出现蓝移现象,与实验现象相吻合。另外从理论角度阐述了峰值偏移和幅值变化的原因,这对金属纳米颗粒的光学性质的研究具有重要的意义。4、本文结合射线追踪网格生成算法、混合并行技术和非局域色散模型,构建了 FDTD计算平台。平台分为交互界面和计算引擎两个部分。交互界面负责参数设置和结果显示,计算引擎负责高性能并行FDTD计算。FDTD计算平台操作简单便捷,计算效率高,既可用于纳米光学性质研究,亦可用于工程电磁计算。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 许杰

导师: 黄志祥

关键词: 时域有限差分方法,网格生成,非局域色散,混和并行计算,仿真平台设计

来源: 安徽大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,数学

单位: 安徽大学

分类号: O241.6

DOI: 10.26917/d.cnki.ganhu.2019.000004

总页数: 103

文件大小: 8249K

下载量: 183

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