不同温度下复杂介质结构内带电规律仿真分析

卫星上某些介质结构会遭遇较大范围的温度变化, 其电导率会随之出现数量级的变化, 这将显著影响内带电结果. 受限于电导率-温度模型和内带电三维仿真工具, 该温度效应远没有得到深入研究. 为此, 在真空变温(253-353 K)和强电场(MV/m量级)条件下测试了某种星用改性聚酰亚胺介质的电导率, 借鉴Arrhenius电导率-温度模型并考虑强电场下电导率的增强效应, 发现电导活化能取值为0.40 eV时, 可得到良好的拟合结果. 在此基础上, 同时考虑辐射诱导电导率, 采用地球同步轨道恶劣电子辐射能谱, 对该类介质盘环结构进行内带电三维仿真, 发现其内带电程度随温度降低而显著增加, 带电最严重的区域位于靠近辐射源的接地面边线. 温度低于250 K时, 2 mm屏蔽铝板下该区域的场强可达到10⁷ V/m量级, 发生介质击穿放电的可能性较大. 所讨论的电导率-温度模型与内带电三维建模方法对进一步评估卫星介质结构内带电程度和做好防护设计具有重要参考意义.     

一种新的航天器外露介质充电模型

为综合考虑高能电子辐射与周围等离子体对航天器外露介质充电的影响,在航天器内带电模型的基础上,通过添加边界充电电流来考虑等离子体与航天器介质表面的相互作用,并统一参考电位为等离子体零电位,建立了航天器外露介质充电模型,给出了新模型的一维稳态解法,并与表面充电模型和深层充电模型进行了对比分析.结果表明:新建模型能够综合考虑表面入射电流、深层沉积电流和传导电流对充电的耦合作用过程,实现外露介质表面和深层耦合充电计算,有利于全面评估航天器外露介质的充电问题.     

海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵的快速算法

借助电场耦合势三维有限体积法与直接求解技术,研究建立了一套海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵(或称为Fréchet导数)高效算法.首先,利用Yee氏交错网格和有限体积法对电场混合势Helmholtz方程进行离散处理,建立与移动源电磁场正演模拟相对应的大型代数方程组,再应用直接法得到的逆矩阵和三维线性插值技术事先确定插值算子和投影算子,并利用投影算子与各个发射源离散向量的乘积计算多发射源电磁响应,极大地提高了多发射源电磁场正演模拟效率.在此基础上,根据块状模型和像素模型中异常体电导率分片常数分布特征,将电导率摄动产生的一次散射电流场表示成Yee氏剖分网格上散射电流元的叠加,由投影算子与散射电流元的离散向量的乘积快速计算出电场强度与磁场强度的显式灵敏度矩阵.最后,通过数值计算检验算法的有效性,并通过块状模型与像素模型分别研究海洋可控源电磁响应特征.     

聚酰亚胺电导率随温度和电场强度的变化规律

介质深层充电对航天器安全运行构成了重大威胁.以聚酰亚胺为代表的此类聚合物绝缘介质的电导率受温度影响显著,又因为充电过程中局部产生强电场(10~7V/m量级),因此,其电导率模型需要综合考虑温度和强电场的影响,这对介质深层充电的仿真评估意义重大.已有的两类模型,不是低温区间不适用,就是没有充分考虑强电场的影响.基于跳跃电导理论,本文分析对比了现有电导率模型,提出了适用于较宽温度范围且合理考虑强电场增强效应的电导率新模型,并采用某型聚酰亚胺电导率测试数据做出验证.此外,为了提高新模型在强电场下的低温适用范围,尝试对强电场因子中的温度做变换,取得了满意的效果.参数敏感度分析表明新模型在电导率拟合与外推方面具有参数少、适用性强的优势.     

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法,推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程,以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度,与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度,使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小,保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性,并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法,数值分析了理想导体Gauss 关键词： 复合散射 Kirchhoff近似 共轭梯度法 互耦迭代     

求解流动与传热问题的一种高效稳定的分离式算法-IDEAL

本文提出了一种求解流动与传热问题的高效稳定的分离式算法-IDEAL(Inner Doubly-iterative EfficientAlgorithm for Linked-equations).在IDEAL算法中每个迭代层次上对压力方程进行两次内迭代计算,第一次内迭代过程用于克服SIMPLE算法的第一个假设,第二次内迭代过程用于克服SIMPLE算法的第二个假设.这样在每个迭代层次上充分满足了速度和压力之间的耦合,从而大大提高了计算的收敛速度和计算过程的稳定性.本文通过2个三维不可压缩流动和传热的算例对IDEAL算法与其它三个被广泛使用的算法(SIMPLER、SIMPLEC和PISO)进行了比较.通过分析比较得出IDEAL算法在收敛性和健壮性上均优于SIMPLER、SIMPLEC和PISO算法.在这2个算例中IDEAL算法几乎可以在任意的松弛因子下获得收敛的解,并且IDEAL算法所需最短计算时间较SIMPLER算法减少12.9%～52.6%;较SIMPLEC算法减少48.3%～79.1%;较PISO算法减少10.7%～46.5%.     

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法，推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程，以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度，与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度，使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小，保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性，并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法，数值分析了理想导体Gauss     

三维磁共振电阻抗成像的改进分层灵敏度算法

针对人体组织电导率的三维成像问题,提出一种改进的分层灵敏度磁共振电阻抗重建算法.利用单方向磁感应强度信息,对三维电导率图像实行分层重建,每层重建仅利用该层磁通密度分量测量数据,然后对单层重建结果进行修正以获得三维电导率重建图像.三介质长方体模型上的仿真实验证明,改进的分层重建算法改善了层间串扰现象,可以获得比一般分层算法甚至整体算法更高的图像分辨率,而且重建时间较整体算法显著减少;基于人体腿模型的仿真实验表明该算法对复杂模型三维重构的可行性;最后通过仿体实验验证算法的重建效果.改进的分层灵敏度重建算法降低了灵敏度矩阵法的计算机硬件需求,减少了重建时间,对MREIT的三维重建具有较高的成像精度和求解效率.     

一种用保角变换求解带电Kelvin电容器边缘效应所产生静电力的解析模型

提出了一种用于弱力测量的带电Kelvin电容器产生静电力的新型工作方式. 该工作方式的优点是在机械上可明显简化静电力的实现, 避免了带电Kelvin电容器在传统工作方式下需要同步移动中心电极和保护电极的困难; 缺点是因Kelvin 电容器的边缘效应, 会不可避免地随之产生一个小的静电力分量, 需要准确建立它的数学模型, 方可清晰地评估它对测量结果的影响. 为解决此问题, 本文采用部分电容模拟和保角变换, 将二维电场的计算转换为一维电场计算问题, 并基于此, 得到了一种合理表征Kelvin电容器边缘效应所产生静电力分量的解析模型. 通过与一个具体计算实例的有限元计算求解结果相比较, 分析了所建立的解析模型的准确性.     

基于单目视觉的航天器间相对位姿测量算法

对航天器间相对位姿的光学测量问题进行了研究,提出了一种新的单目视觉测量算法——相似迭代算法。该算法根据三角形相似原理提出了一种新的深度迭代机制,并通过引入深度变量,将求解2D-3D问题转化为迭代求解3D-3D问题。对数值仿真与两种现有的测量算法进行了比较。仿真结果表明,该算法具有精度高、抗噪声能力强和实时性较好等优点,可以应用于航天器间相对位姿测量等任务。     

空间站快速充电事件的机理研究

空间站等大型航天器由于采用高压太阳电池阵而引发的 带电问题成为近年来航天器带电研究领域的热点问题. 近年来观测到国际空间站(ISS)在出地影瞬间产生的"快速带电"事件 (也称"异常带电") , 再度引起了对低轨道航天器充电效应的深入研究. "快速带电"事件的特征为, 集中出现在出地影的瞬间, 在几秒内快速上升到较高电位(30—70 V), 然后在几十秒时间内缓慢衰降, 相对高压电池阵本身引起的结构体带电(称为"正常带电", 一般在30 V以下)严重得多. 目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分. 本文在Furguson等人机理研究工作的基础上, 首次建立了描述"快速带电"事件的物理模型, 定量揭示了其充电过程的主要机理. 根据该模型对国际空间站的"快速带电"进行计算, 结果与观测到的典型充电脉冲符合, 模型预测的快速带电事件的统计规律也与观测结果基本一致. 关键词： 表面充电 等离子体 空间站 高压太阳电池阵     

耦合势有限体积法高效模拟各向异性地层中海洋可控源的三维电磁响应

本文基于电场矢势与标势分解的耦合势有限体积法研究建立一套各向异性地层中海洋可控源电磁法的三维响应的高效数值模拟技术.首先引入电场的矢势和标势,将电场分解为无散场和无旋场之和,Maxwell方程转换为关于矢势与标势的混合Helmholtz方程,克服低感应数问题.在此基础上,借助Yee氏交错网格和有限体积法以及非均质单元中等效电导率公式,建立混合Helmholtz方程的离散方程.并采用直接法求解器PARDISO求解离散方程,有效保证在大的求解空间中仍然能够获得电磁场稳定可靠的数值解.此外,在数值模拟中利用差异场技术,克服源的奇异性问题,尽可能提高近场的计算精度.与解析解的对比证明了该算法的有效性.数值模拟结果表明,海洋可控源电磁法沿测线方向的电场,对油气藏的纵向电阻率敏感,对横向电阻率不敏感;对油气藏上方的覆盖层的纵向电阻率和横向电阻率都敏感.     

基于弱透视成像模型的目标三维姿态测量

为了准确获取空间目标跟踪、视觉导航等领域中目标的三维姿态,进行了目标三维姿态单目视觉测量方法研究.提取图像目标的典型特征点构造出直角三角形,并通过其边长比例先验信息以及弱透视成像模型推导出目标三维姿态的单目解算算法.与传统测姿方法相比,该算法在相机焦距等内参量未知条件下依然可解算姿态,增大了测姿应用范围;与传统迭代测姿方法相比,避免了循环迭代求解过程,无需设置迭代初值,提高了解算效率.数值仿真试验结果表明目标在离相机1~3km成像时姿态测量误差低于1.5°;实际图像序列测量结果表明目标俯仰角和偏航角测量结果拟合残差小于1°,翻滚角拟合残差小于2°.实验验证了算法的正确性和稳定性,表明该算法在内参量未知条件下能有效测量中远距离成像目标三维姿态.     

二维泊松方程的遗传PSOR改进算法

针对二维泊松方程在实际应用过程中几种常用方法存在计算量大、易发散、局部收敛等不足,提出了一种改进算法.该算法基于并行超松弛迭代法,采用遗传算法对松弛因子进行全局寻优,解决了超松弛迭代法求解泊松方程时最佳松弛因子难以确定的问题.构建了多目标适应度函数,优化了遗传算子参数,分析了算法的计算量、计算时间与误差精度,与传统方法进行了对比研究.结果表明:松弛因子对泊松方程求解的速度与精度影响显著;改进算法能减少迭代次数,节省计算时间,加快方程的求解;算法适合于求解计算量较大、精度要求较高的时域有限差分方程,而且精度要求越高,算法的性能越好,节省的时间也越多.     

三维电磁扩散场数值模拟及磁化效应的影响

采用矢量有限元法实现了三维电磁扩散场数值模拟,并成功将其应用在大地电磁的正演研究中.为灵活精确地拟合起伏地形和地下不规则构造,采用由不规则四面体单元组成的非结构化网格,可根据模型设计的需要调整网格的大小.引入了基于二次场理论,将解析的一次场从总场中扣除,直接计算二次场,使得误差仅局限于相对较小的二次场,以提高总场计算精度.常规的节点有限元法不满足电性分界面上法向电场不连续和无源区单元内电流密度无散,违反麦克斯韦方程组.为克服节点有限元法的弊端,使用矢量有限元法求解基于二次电场的偏微分方程.另外,在算法设计中,考虑了磁导率参数的变化,可以模拟磁导率不均匀的模型.通过与COMMEMI模型已发表的结果对比,证明了本文算法的正确性和精确性.为突显非结构网格优势,计算了椭球异常体模型和任意地形模型的MT响应,并详细讨论了地形和磁化效应对三维数值模拟结果的影响.     

利用积分方程法的各向异性地层频率测深三维模拟

应用一种新的积分方程算法对各向异性地层频率域电磁测深三维问题进行正演模拟.利用范数小于或等于1的修正Green算子得到各向异性地层中的新积分方程,由于满足压缩映射条件,该积分方程在任意参数条件下总是迭代收敛的.提出一种应用迭代法求解新积分方程的迭代初值优化选择方法,并通过具体算例对比说明该方法可使频率域电磁测深三维模拟的计算效率得到有效提高.最后应用所述算法对层状各向异性大地轴向频率测深视电阻率响应进行三维数值模拟,考察分析地层的各向异性对视电阻率响应特征的影响,得到一些重要结论.     

一种可扩展的三维半导体器件并行数值模拟算法

在基于漂移-扩散模型的三维半导体器件数值模拟中,通过有限体积法进行数值离散,采用完全耦合的牛顿迭代求解非线性代数方程组,并使用基于代数多重网格预条件子的GMRES方法求解牛顿迭代中的线性方程组,构造一种稳健且高度可扩展的非结构四面体网格上求解半导体方程的并行算法.基于PHG平台实现该算法的并行计算程序,并对PN结和MOS场效应晶体管等问题进行了最大网格规模达到5亿单元、最大并行规模达到1 024进程的大规模数值模拟实验,结果表明,该算法计算效率高,可扩展性好.     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

基于三维元胞模型的刻蚀工艺表面演化方法

为了更好地理解和认识刻蚀机理, 并为制造工艺提供优化指导, 采用三维元胞模型研究了刻蚀工艺的表面演化过程, 并着重探讨了离子对表面演化过程的影响.针对刻蚀离子入射角度的求解问题, 提出了一种降维分量拟合方法, 将一个三维曲面拟合问题转化为两个二维曲线拟合进行求解, 对入射点的表面法向量计算实现了快速求解, 与采用最小二乘多项式曲面拟合求解离子入射角度相比, 其计算精度和效率都有较大的提高; 对用于拟合计算的表面元胞的选取方法进行了改进, 提高了拟合的准确度.将这种方法应用到硅刻蚀工艺三维仿真中, 其模拟结果与相关实验结果对比, 验证了该方法对刻蚀工艺描述的有效性. 关键词： 刻蚀 三维元胞模型 表面演化算法 降维分量拟合     

节块内嵌离散纵标(SN)方法的算法研究及程序开发

介绍节块内嵌离散纵标(S_N)方法求解三维堆芯中子输运/扩散方程的算法框架.在基于扩散理论的三维粗网节块展开方法(NEM)的算法体系中,用基于输运理论的径向二维细网节块离散纵标方法(NDOM)的内迭代过程,替代节块展开方法(NEM)内迭代的径向求解过程.该算法充分考虑了核电厂反应堆堆芯的三维结构特点,另一方面,也充分利用了已经成熟的三维粗网节块展开方法(NEM)和二维离散纵标方法(S_N)的研究成果,同时有效避免了利用离散纵标方法(S_N)求解三维中子输运方程所面临的计算内存和计算时间的瓶颈问题.编制开发二维多群节块离散纵标方法(NDOM)模块程序NS_NM和三维多群节块展开方法(NEM)模块程序MGNEM,并以此为基础编制开发节块内嵌S_N方法的模块程序HANWIND;其中,NS_NM为HANWIND求解两维问题的功能模块.针对OECD/NEA-2D C5G7MOX基准问题以及两环路核电厂三维堆芯的数值验算结果表明,节块内嵌S_N方法的算法开发及程序编制有效、切实可行.