JEMS-FDTD软件在电磁脉冲区域传播数值模拟中的应用

电磁脉冲区域传播数值模拟是电磁环境效应分析的重要环节, 面临空间尺度巨大、多辐射源、复杂地貌等技术挑战。本文介绍了三维时域全波电磁模拟并行软件JEMS-FDTD的研制进展。在大规模并行计算FDTD方法的基础上结合自适应网格技术, 研制了一种适应于大区域电磁脉冲传播的高效时域全波计算方法。并基于该技术实现了千km2级城市电磁脉冲区域传播的数值模拟, 获取了全空间的时域电磁场信息, 验证了软件在电磁脉冲区域传播仿真应用中的可行性。     

任意形状金属腔体内电磁脉冲的三维计算

提出了模拟任意形状腔体中的内电磁脉冲的三维直角坐标系时域有限差分(FDTD)算法。该算法采用FDTD共形网格技术模拟任意形状腔体的边界,可以解决腔体内非对称的边界问题。推导了射线斜入射的差分方程,进行了三维数值计算,并采用直角坐标系FDTD算法和柱坐标系FDTD算法计算了射线斜入射圆柱腔体产生的内电磁脉冲,二者吻合很好,验证了直角坐标系FDTD算法正确性。     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。     

基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法

探讨一种基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法(high-order compact-FDTD),该方法不仅提高计算精度,而且网格结点少、内存使用率和CPU时间大为降低.利用紧致格式FDTD方法实现无耗波导系统及光子晶体光纤中电磁波传播的数值模拟.通过计算实例验证算法的高效性.     

轨道电路系统长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应

结合时域有限差分(FDTD)方法、传输线方程和长钢轨激励场快速计算方法,研究了一种高效的时域混合算法,实现长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应的时域快速计算。首先,为避免对钢轨不规则结构的直接建模,根据趋肤效应,将钢轨等效为管状导体模型并提取对应的单位长度分布参数。然后,根据长钢轨激励场快速计算方法,快速计算长钢轨沿线电场分布,并结合传输线方程构建钢轨等效圆柱模型与补偿电容一体化的电磁耦合模型。最后,使用FDTD方法求解传输线方程,获取钢轨沿线各点的电磁脉冲耦合响应。研究结果表明,钢轨耦合电流波形不断展宽,但是峰值随长度增加到一定值后达到饱和状态,此结论可为轨道电路系统电磁防护设计提供重要的数据支撑。     

2.5维模拟中时域有限差分近-远场变换方法

 为进行从高功率微波源到天线辐射整个系统的2.5维模拟,在近场模拟的基础上对2.5维模拟中时域有限差分(FDTD)的近-远场变换方法进行了研究。先将2.5维近场模拟区的输出边界绕对称轴旋转一周,得到封闭的3维圆柱面;然后根据等效原理由该封闭面上的FDTD近场求得等效电磁流;再根据自由空间中电流及磁流的时域辐射场公式计算出电磁流的远区辐射场。给出了2.5维模拟中TM01模式及TE01模式激励下圆锥喇叭远区辐射算例,所得计算结果与3维全电磁模拟软件CST的计算结果符合较好。     

VLASOV天线的研究

 使用频域矩量法(MM)和时域有限差分方法(FDTD)对VLASOV天线进行了系统研究。通过数值模拟：对VLASOV天线中的模式转换及其辐射过程进行有了清晰的物理描述；对VLASOV天线进行了参数化研究；并为实验提供了加工原型，实测结果与模拟结果吻合良好。在此基础上，结合VLASOV天线在高功率微波系统中的应用提出了一种新的设计方案。该方案实现了天线与天线罩的一体化设计，使辐射波束实现了较好的圆对称性，天线增益提高6dB，第一副瓣电平下降13dB。     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

离散电阻加载的大型垂直极化EMP辐射波模拟器的并行FDTD模拟

将电阻设置为跨网格有耗介质，进行离散电阻加载的大型垂直极化电磁脉冲（EMP）辐射波模拟器时域场的并行FDTD模拟.给出不同离散电阻加载方式下模拟器辐射场的时域波形，分析离散电阻加载对模拟器辐射场的影响，并给出离散电阻加载的模拟器有圆筒效应物时的时域波形.结果表明：电阻加载能有效减小模拟器顶端的电流反射，从而改善辐射场的时域波形，但电阻加载也可能会导致模拟器辐射性能的降低；当效应物开孔所在的侧面靠近模拟器且与模拟器极化方向平行时耦合进入圆筒内的电磁波能量较多.计算方法具有通用性，可用于进行离散电阻加载的其它大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域场的模拟，包括导电地面存在且有效应物存在时的时域耦合场的模拟.     

JEMS-FDTD软件在运输机电磁特性仿真中的应用

复杂电磁环境的研究包括多方面内容,其中飞行器的电磁环境效应研究受到了较多的关注。随着计算机技术的飞速发展,利用数值模拟技术获得飞行器电磁特性已经成为飞行器电磁环境效应研究的一个重要手段。我们将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件JEMS-FDTD应用于运输机整机电磁特性仿真,计算并分析了飞机的电磁耦合散射特性,获得了飞行器在电磁脉冲照射下的时域/频域、近场/远场等电磁信息。计算中为保证精度采用了非均匀以及高阶FDTD计算技术。     

脉冲电磁波通过偶极天线辐射的物理过程及其数值模拟

在讨论了基于时域有限差分法和完全匹配层技术的数值模拟方法之后,首先从运动电荷和电力线的角度直观地描述了脉冲电磁波的辐射过程,然后进一步从场与电荷相互作用的角度分析了天线上电荷是如何被加速以及如何维持其运动状态的,指出了开放空间中突然出现的时变电场（位移电流）是脉冲电磁波辐射的根本原因．文中还对局部电阻加载的天线和局部弯曲的天线进行了研究,以进一步说明上述观点．对多种情况下的脉冲辐射过程进行了数值模拟,并给出了电场的等高线和空间波形图,这些图形对理解脉冲电磁波的辐射机理非常有益． 关键词：     

基于TEM喇叭的辐射波模拟器天线的近场特性

 给出一种新型核电磁脉冲辐射波模拟器天线，并用时域有限差分方法分析和优化天线的结构。天线的激励源是由同轴线馈入的强电压脉冲。优化了平行板传输线和TEM喇叭的尺寸，并对天线的近场进行分析，给出了天线尺寸对近场特性的影响。数值模拟结果表明，在距离天线口径100m处的电场强度可达20kV/m。     

分析水下目标的大比例变换总场散射场源FDTD方法

为解决探测水下目标的电磁散射问题,提出大比例变换的总场-散射场源时域有限差分（FDTD）方法.该方法包含两次FDTD计算：第一次计算采用细网格得到激励源周围的近场值;第二次计算采用粗网格得到远距离的电磁场值.两次FDTD计算通过总场-散射场边界建立联系.实现细粗网格的大比例变换,例如变换比例N=10,大大节省了计算时间,降低了计算内存的消耗,提高了计算效率.通过算例验证该方法的正确性和有效性.最后,计算水下岩层中存在异常体时的电磁响应,指出当岩层中异常体电导率不同时,接收点处电磁场的幅值和相位均不相同.     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

采用流场模拟软件模拟了十一组分RAM-II飞行器表面等离子体鞘套的分布,提取了四个典型飞行高度、飞行状态下的等离子体鞘套的分布信息.然后根据RAM-II飞行器等离子体鞘套数据,利用计算色散介质的Z变换FDTD方法主要计算了电磁波在四个不同高度处等离子体鞘套中的功率反射系数和功率透射系数.此外,根据目前可以做出的磁场强度的大小,对四个不同高度下的非均匀等离子体鞘套层按距飞行器表面的距离进行相应的非均匀磁化.由于左旋极化波和右旋极化波在磁化等离子体中的传输特性不同,最后对比了左旋极化波、右旋极化波在非磁化和磁化情况下的传输特性,对飞行器导航通信磁窗天线的设计给出建议.     

Numerical Simulation of Waveguide TM01-TE11 Mode Converter Using FDTD Method

We study a transmission problem of an electromagnetic pulse with given transversal structure passing through a waveguide converter from TM₀₁ to TE₁₁ mode of circular waveguide. Using FDTD numerical simulation method we have investigated mode structure of the pulse at the output of the converter and its dependence on pulse length at the input. Also we have obtained frequency characteristic by calculating Fourier response for a pulse with wide spectrum.     

一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。