时域有限差分法中电磁场的吸收边界条件

吸收边界条件在时域有限差分法计算电磁场中有着广泛的应用,从吸收边界所要满足的条件出发,将Lindman吸收边界条件推广,得到了便于计算的简化形式.两维数值模拟结果表明:以各种角度向左或右传播的p极化和s极化电磁波在边界面上的反射率均低于0.5%.     

UPML吸收边界条件统一建模与优化方法

单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)是时域有限差分方法(FDTD)的一种理想的吸收边界条件,但多个子区域的迭代运算增加了UPML实现的难度和耗用资源.通过寻找UPML区域中介质属性的变化规律,提出实现UPML吸收边界条件的统一建模方法,并在此基础上提出两种精简辅助变量占用空间的优化算法——六区域分割方法和压缩变量方法.计算结果表明,统一建模方法只需三次循环即可完成三个方向所有介质参数及迭代系数的初始化;六区域分割方法虽然节省了大量无用存储空间,但速度最慢;压缩变量方法不仅节省存储空间、方便编程实现,而且提高了仿真速度.     

截断磁等离子体三维M-NPML吸收边界条件

研究三维截断磁化等离子体介质新型完全匹配层(NPML)吸收边界条件(ABC),提出应用于截断色散介质修正的M-NPML,该方法根据NPML坐标变换原理,对麦克斯韦方程中对空间偏导的变量进行坐标拉伸,得到在NPML吸收边界中修正的麦克斯韦方程组.该吸收边界只把对空间偏导的变量进行坐标拉伸,操作简单,避免了PML方法在截断普通介质时采用复杂的场分裂形式,同时比单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界截断磁化等离子体介质更加简单,编程复杂度大大降低.算例仿真结果与解析解相符,证实了该算法的有效性.     

一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法

基于伸展坐标完全匹配层方程和辅助微分方程 方法, 给出了一种在时域有限差分(FDTD) 计算中适用于常见色散介质的通用边界条件算法. 该算法适用于任意阶的FDTD空间差分, 并且由于所采用的D-H方程独立于计算区域, 所以可以被用于截断任意电介质. 数值试验结果表明, 与卷积完全匹配层 算法相比较, 所提出的吸收边界条件算法不仅通用性强、 计算复杂度低、 计算时间短, 并且吸收效果有明显的提高.     

CPML在空中核爆电磁脉冲三维数值模拟中的应用

在分析不同类型完全匹配层(PML,perfectl ymatched layer)特点的基础上,选用了卷积形式PML(CPML,convolutional perfectly matched layer)截断空中核爆电磁脉冲(NEMP,nuclear electromagnetic pulse)数值模拟的开放边界.从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发,构造了未分裂形式的PML,应用付里叶变换的卷积定理,推导出三维旋转椭球-双曲正交坐标系下CPML介质中电磁场的迭代形式的离散方程.获得了很好的截断效果,展示了CPML在NEMP数值模拟中的应用前景.     

二维介质柱光子晶体波导吸收边界条件

设计优化了用于截断二维正方格子介质柱光子晶体波导的分布布拉格反射波导的结构.二维时域有限差分数值模拟结果显示，在上述两种波导联接处的反射系数可以在大部分光子晶体波导导波的频谱范围内降到1％以下.将这种分布布拉格反射波导和通常的吸收边界条件相结合可以构成用于光子晶体波导的吸收边界条件，其反射率可以降低到-40dB以下，吸收层的厚度可取为晶格长度的1.3倍. 关键词： 吸收边界条件 光子晶体波导 时域有限差分     

卷积完全匹配层在空爆电磁脉冲2维模拟中的应用

 在分析不同类型完全匹配层特点的基础上,选用了卷积形式完全匹配层（CPML）截断空中核爆电磁脉冲数值模拟的开放边界。从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的完全匹配层出发,构造了未分裂形式的完全匹配层,应用傅里叶变换的卷积定理,推导出2维旋转椭球-双曲正交坐标系下卷积形式完全匹配层介质中电磁场的迭代形式的离散方程。计算表明,采用CPML吸收边界方法使得截断的外边界处的场的计算误差大大减少。     

有耗介质空间完全匹配层吸收边界条件及其应用

针对Gedney提出的完全匹配层(PML)无法用于有耗各向同性计算域的截断及其对倏逝波的衰减不理想等问题,提出了一种扩展方法。扩展的PML的主要思想是在各向异性的PML中引入与有耗介质空间相一致的复介电常数和复磁导率,使之可以与有耗介质计算域相匹配。通过给PML的张量介电常数、张量磁导率增加衰减因子以加速倏逝波的衰减。构造了PML吸收效果验证模型,数值结果证明了扩展的PML在处理有耗介质计算域截断问题中的有效性。利用该吸收边界条件,采用时域有限差分法计算了电磁脉冲作用下地面铺设电缆的电磁脉冲响应,计算结果和试验结果取得了较好的一致。     

卷积完全匹配层在空爆电磁脉冲2维模拟中的应用

在分析不同类型完全匹配层特点的基础上,选用了卷积形式完全匹配层（CPML）截断空中核爆电磁脉冲数值模拟的开放边界。从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的完全匹配层出发,构造了未分裂形式的完全匹配层,应用傅里叶变换的卷积定理,推导出2维旋转椭球-双曲正交坐标系下卷积形式完全匹配层介质中电磁场的迭代形式的离散方程。计算表明,采用CPML吸收边界方法使得截断的外边界处的场的计算误差大大减少。     

室内声学时域有限差分模拟中的边界条件

给出了时域有限差分法用于室内声学问题模拟中的边界条件,结合声波方程的基本差分格式,模拟并分析了高斯脉冲在4m×4m房间中的波动过程和脉冲响应;模拟了一9m×6m×4m房间的简正频率,并与经典理论计算值进行了对比;模拟了一12m×5m×4m水平地面房间中的坐席吸声低谷效应,并与Joe LoVtri的模拟结果进行了对比;模拟并实际测量了一10.6m×5.8m×3.4m房间在几个受声点的脉冲响应和早期衰变时间EDT,将模拟结果与实际测量结果进行了对比分析,计算程序是用Metlab语言编写的。模拟与经典理论、相关研究、实际测量几方面的对比分析,验证了本边界条件的可靠性。     

截断各向异性等离子体的修正各向异性完全匹配层吸收边界

基于磁化等离子体本构方程,提出了一种截断各向异性色散介质的修正的各向异性完全匹配层(M-UPML)吸收边界算法。通过等效相对介电常数,将UPML推广到截断各向异性等离子体介质的情形,并推导了其时域有限差分方法(FDTD)迭代式。用该方法计算了半空间磁化与非磁化等离子体的反射系数,计算结果与解析解相一致,表明该吸收边界具有良好的吸收效果。     

非线性欧拉方程组的完美匹配层吸收边界条件

对于非线性Euler方程,提出一类基于完美匹配层(PML)技术的吸收边界条件。首先对线性化的Euler方程设计出PML公式,然后将线性化Euler方程中的通量函数替换成相对应的非线性通量函数,得到非线性的PML方程。考虑到PML方程中包含有一个刚性的源项,文中采用一种隐显Runge-Kutta方法来求解空间半离散后得到的ODE系统。数值实验表明设计的非线性PML吸收边界条件优于传统的特征边界条件。     

截断各向异性等离子体的修正各向异性完全匹配层吸收边界

 基于磁化等离子体本构方程,提出了一种截断各向异性色散介质的修正的各向异性完全匹配层(M-UPML)吸收边界算法。通过等效相对介电常数,将UPML推广到截断各向异性等离子体介质的情形,并推导了其时域有限差分方法(FDTD)迭代式。用该方法计算了半空间磁化与非磁化等离子体的反射系数,计算结果与解析解相一致,表明该吸收边界具有良好的吸收效果。     

粒子模拟软件吸收边界的研究

实现了时域有限差分法的Gedney完全匹配层吸收边界条件,并进行了数值验证和参数优化。从结果可以看出其有较低的反射,性能优良;对吸收媒质厚度和电导率分布阶数的参数优化结果与Gedney经验值基本一致。将此吸收边界模块加入到国产粒子模拟软件CHIPIC中,同美国商业粒子模拟软件MAGIC相比有更好的吸收效果。通过对2维极坐标下磁控管的模拟,证明了此吸收边界具有实际应用价值。     

基于Z变换的高阶完全匹配层实现

基于拉伸坐标完全匹配层(SC-PML)公式和Z变换方法,提出以非分裂场形式来实现具有多极点的高阶完全匹配层的高效算法,来截断时域有限差分(FDTD)网格.在吸收性能方面,高阶PML同时具有传统PML和复频率偏移完全匹配层(CFS-PML)二者的优点.提供的数值算例是二维TE极化电磁波与无限长且有限宽度的理想电导体(PEC)薄片的相互作用.仿真结果显示,高阶PML公式在衰减低频行波和隐失波及减少后期反射方面效果好,比传统SC-PML和复频率偏移的卷积完全匹配层(CPML)算法有更好的吸收性能.     

Extending Anisotropic Perfectly Matched Layer Absorbing Boundary Condition to Biaxial Media

The absorbing boundary condition required for an anisotropic perfectly matched layer for materials that exhibit a uniaxial and biaxial permittivity tensor is investigated. These materials are used in optical and millimeter wave devices and other particular situations such as in the construction of modern aircraft and automobiles. The derivation presented in this paper may be not suitable for all the arbitrary orientations but for many common situations. The effectiveness of the condition is also illustrated with examples by the finite-difference and finite-element method.     

Uniform stable conformal convolutional perfectly matched layer for enlarged cell technique conformal finite-difference time-domain method

Based on conformal construction of physical model in a three-dimensional Cartesian grid,an integral-based conformal convolutional perfectly matched layer(CPML) is given for solving the truncation problem of the open port when the enlarged cell technique conformal finite-difference time-domain(ECT-CFDTD) method is used to simulate the wave propagation inside a perfect electric conductor(PEC) waveguide.The algorithm has the same numerical stability as the ECT-CFDTD method.For the long-time propagation problems of an evanescent wave in a waveguide,several numerical simulations are performed to analyze the reflection error by sweeping the constitutive parameters of the integral-based conformal CPML.Our numerical results show that the integral-based conformal CPML can be used to efficiently truncate the open port of the waveguide.