一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法技术

本发明专利技术提供了一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其包括根据目标所仿真电磁问题的物理背景，结合边界条件信息进行仿真建模；数值计算区域的四边形或六面体结构网格，在壁面和几何奇异处加密，所述网格逐渐远离散射壁面而逐渐稀疏；输出网格数据文件和设定和输出边界条件文件；输入目标计算电磁参数、数值计算控制参数；输入网格数据和边界条件信息文件，初始化计算空间电磁场；以基于时间迭代推进和空间通量残差的隐式双时间步方式对麦克斯韦方程组时变电磁场进行迭代求解。通过在控制方程中引入定常的虚拟时间导数项，从而使得物理时间推进步长可以根据物理问题进行选取而不受稳定性的限制，在保持高数值精度的同时，提升计算性能。

【技术实现步骤摘要】
一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法
本专利技术涉及电磁学的时域数值求解
，尤其是涉及一种可提高时变电磁场时间推进效率的全隐式双时间步计算方法。
技术介绍
复杂外形目标电磁散射、复杂电磁环境电磁干扰，应用时域方法能能相容地模拟散射、多重散射、孔穿透、腔激励等复杂现象，并且能准确模拟时间历程更直观，不像传统高频渐进方法对特殊部件、特殊电磁现象例如棱边衍射提出特殊处理方式。时域中的时变电磁场满足时域麦克斯韦方程组，随着计算机技术的发展，直接求解该方程组成为可能。与欧拉方程相同的双曲型数学特征促进计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）技术在电磁场计算中的应用，其中时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain,FDTD)和时域有限体积法(FiniteVolumeTimeDomain,FVTD)最为著名。20世纪60年代K.S.Yee发表先驱性的时域有限差分算法，直接差分计算时变麦克斯韦微分方程组，成功地模拟电磁脉冲与理想导电体作用的时域响应，开创一种新的电磁场时域计算方法。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n步骤1，根据目标所仿真电磁问题的物理背景，结合边界条件信息进行仿真建模；/n步骤2，采用四边形或六面体结构对仿真模型进行网格剖分，网格在壁面和几何奇异处加密，网格逐渐远离散射壁面而逐渐稀疏；数值计算对应区域的网格，输出网格数据文件，设定和输出边界条件文件；/n步骤3，输入目标计算电磁参数、数值计算控制参数；/n步骤4，输入网格数据和边界条件信息文件，初始化计算空间电磁场；/n步骤5，以基于时间迭代推进和空间通量残差的隐式双时间步方式对麦克斯韦方程组时变电磁场进行迭代求解。/n

【技术特征摘要】
1.一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1，根据目标所仿真电磁问题的物理背景，结合边界条件信息进行仿真建模；
步骤2，采用四边形或六面体结构对仿真模型进行网格剖分，网格在壁面和几何奇异处加密，网格逐渐远离散射壁面而逐渐稀疏；数值计算对应区域的网格，输出网格数据文件，设定和输出边界条件文件；
步骤3，输入目标计算电磁参数、数值计算控制参数；
步骤4，输入网格数据和边界条件信息文件，初始化计算空间电磁场；
步骤5，以基于时间迭代推进和空间通量残差的隐式双时间步方式对麦克斯韦方程组时变电磁场进行迭代求解。


2.根据权利要求1所述的一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其特征在于：所述步骤5过程如下：仿真模型的外层为物理时间步循环，直至计算收敛结束；仿真模型的内层为虚拟时间步子迭代循环，直至子迭代收敛结束；在每个虚拟时间子迭代过程中，依次对各个网块格、各个网格单元进行空间通量计算和隐式迭代解计算，更新下一级虚拟时间子迭代步数守恒电磁场数值。


3.根据权利要求2所述的一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其特征在于：所述物理时间步循环和虚拟时间步子迭代循环过程为：
通过虚拟时间导数项，将待求解的麦克斯韦方程组修正为：



其中，是实数型的电磁场守恒变量，是归一化物理时间，是直角坐标系下电磁通量的分量；是实数型磁感应强度矢量，是实数型电位移矢量，是电场强度矢量，是磁场强度矢量，、、分别是的分量；、、分别是的分量；、、分别是的分量；、、分别是的分量；当收敛时，该方程组等同于原始方程组，定常虚拟时间子迭代表示为：



其中，是经虚拟时间子迭代后的电磁场守恒变量值，是的近似；是通量残差，是通量残差增加了物理时间导数项后的残差；是物理时间步数；是物理时间步长，是第物理时间步时的电磁守恒变量，是第物理时间步时的电磁守恒变量；为对应的中间状态通量残差；采用后向2阶差分的物理时间导数为2阶时间精度；定常子迭代部分采用隐式算法：



其中，为结构网格曲线坐标系方向1，为结构网格曲线坐标系方向2，为结构网格曲线坐标系方向3；分别对应为、、方向的电磁通量；是隐式控制参数，取的全隐式，其他参数对应显、隐混合格式；下标是网格单元编号，是第网格单元第虚拟时间迭代步时的电磁守恒变量，是第网格单元第虚拟时间迭代步时的电磁守恒变量，是第物理时间步时的电磁守恒变量，是第物理时间步时的电磁守恒变量，是第物理时间步时的电磁守恒变量，是第网格单元第虚拟时间迭代步时的空间通量残差，是第网格单元第虚拟时间迭代步时的空间通量残差；是由稳定性控制的虚拟时间步长，由CFL数和局部网格单元几何尺度和特征值计算；采用不同局部虚拟时间子迭代步长定常计算不同的网格单元，加快相应网格单元的单元电磁场收敛。


4.根据权利要求3所述的一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法，其特征在于：所述空间通量计算和隐式迭代解计算过程如下：
采用Steger-Warming分裂计算网格单元分界面通量

；

；

；
式中分别取曲线坐标系方向之一，相应的即为对应方向的电磁通量；代表曲线坐标系对应方向Steger-Warming分裂中，正特征值进行分裂后得到的电磁通量；代表曲线坐标系对应方向Steger-Warming分裂中，负特征值进行分裂后得到的电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：许勇，江雄，牟斌，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51