高阶间断伽辽金时域有限元方法分析三维谐振腔

从一阶麦克斯韦旋度方程出发,研究一种区域分解时域有限元目的——高阶间断伽辽金时域有限元目的.其中对时间的离散采用Crank-Nicolson差分格式,电场和磁场采用相同阶数的高阶矢量基函数展开.分析三维谐振腔问题,数值结果表明,目的 中时间步长的选取可以摆脱CFL稳定性条件的限制;此外,与基于常用Whitney矢量基函数的目的 相比,采用高阶矢量基函数可以明显地提高计算精度及计算效率.     

基于曲四面体单元剖分的CN E-H TDFEM方法

从采用Crank-Nicolson差分格式的基于麦克斯韦旋度方程的E-H时域有限元方法出发,将展开电场和磁场的叠层矢量基函数与曲四面体单元相结合.对金属球谐振腔及介质填充的圆柱形谐振腔的数值模拟表明：相较于规则四面体单元,在剖分单元数目相同的情况下,曲四面体单元离散表面弯曲结构可以获得更高的计算精度.同时,与0.5阶基函数结合曲四面体单元相比,1.0阶基函数与曲四面体单元结合可以用更少的单元数及未知量数目来获得更高的计算精度.     

矢量有限元方法精确计算轴对称?谐振腔高阶模

采用矢量有限元方法计算了任意轴对称谐振腔高阶模的本征频率.这种方法能够将数学模型和物理理论很好地结合起来,避免了一般有限元方法计算谐振腔本征模式中可能出现伪根的问题,并且可以通过采用二阶标量和矢量基函数,在较少的网格数的情况下得到很高的计算精度.基于该方法的程序Cafe为进一步精确研究下一代直线对撞机失谐结构的尾场奠定了基础.     

三阶矢量有限元方法精确计算轴对称谐振腔高阶模

为了进一步提高数值求解谐振腔高阶模的精度，本文提出了三阶矢量有限元方法，并针对二阶矢量有限元轴对称谐振腔高阶模计算程序Cafe对曲线边界的计算能力较差和计算速度较慢的缺点做了改进. 在这些改进的基础上编制了三阶矢量有限元轴对称谐振腔高阶模计算程序meshmatrix3，得到了很好的结果.     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

应用高阶有限元-局部共形完全匹配层算法分析电磁散射问题

提出局部共形完全匹配层在高阶有限元中的实现方法,用于分析三维电磁散射问题.基于定义在局部高阶单元上的实坐标、复坐标以及参数坐标三者之间的映射关系,局部共形完全匹配层不仅能够贴近复杂结构散射体的外廓形状设置截断区域,有效地缩减有限元分析区域,而且由于保证了较高的几何拟合精度,可以有效地提高数值计算结果的准确性.利用这种结合局部共形完全匹配层的高阶有限元方法分析不同目标的电磁散射特性,数值结果表明方法的正确性和有效性.     

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.     

耦合径向基函数与多项式基函数的无网格方法

耦合径向基函数和多项式基函数,形成一种新的近似函数.该近似函数对散乱分布的离散数据点进行逼近时,只需节点信息,不需要划分网格.详细描述了耦合近似函数的建立、属性、插值行为及其形函数和形函数导数的性质.最后引入修正变分原理和单位分解积分技术求解边值问题,并给出了计算实例,表明耦合径向基函数和多项式基函数是一种非常有效的方法.     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.     

Modal Analysis of Nonuniformly Dielectric Waveguide Using Semivectorially Compact Finite-Difference Time-Domain Method

A compact two-dimensional finite-difference time-domain method is developed for the modal analysis of nonuniform dielectric waveguides. The unsplit-field perfectly-matched-layer absorbing boundary condition has also been extended to this approach. The proposed method approximates the maxwell equations by using the semivectorial wave equations, and the dominant electric fields are solved for two perpendicular polarizations. By introducing the new techniques, complex variables can be avoided in the calculations. At the same time, the number of variables is minimized in the computation domain. Through that, approximately half of the computation effort can be saved without accuracy loss. Numerical examples are given to substantiate the theory. Excellent accuracy has been obtained for the entire frequency spectrum, even near the cutoff region.     

径向基函数及其耦合方法在电磁场数值计算中的应用

针对带电导体附近急剧变化的位函数和场函数这一难于处理的边界条件,将小波函数的紧支撑特性和全域径向基函数(RBF)的高精度逼近能力相结合,提出电磁场边值问题求解的耦合方法并应用于接地金属槽/箱的数值计算中;将径向基函数无网格方法引入波导本征值的计算中,给出其求解本征问题的思路,建立相应的离散方程,分析矩形、圆形和脊形波导的本征值并与有限元方法进行比较.数值仿真实验表明,径向基函数及其耦合方法在分析电磁场边值和本征值问题时是有效的且具有实现简单、节点少和精度高的优势.     

耦合微盘及带输出波导的单微盘腔的耦合模式特性

光学微腔具有很高的品质因子和很小的模式体积,在光电子器件研究方面具有重要的应用价值.运用时域有限差分(FDTD)法和Padé近似频谱分析法模拟研究了耦合微盘及带输出波导的单微盘微腔由于空间对称性破坏导致的模式耦合现象;特别计算了耦合模式的场分布和品质因子,并由场分布得出不同角量子数模式的能量比例.对耦合微盘,模式耦合引...     

旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析

提出一种计算太阳能聚光器聚光焦斑能流密度分布的新方法。在考虑太阳形状、聚光器表面形状误差、跟踪误差、接收器位置误差、漫反射及接收器遮挡作用等各项光学误差和影响因素的基础上,结合旋转抛物面聚光器的光学特性,采用有限元法对焦面能流密度分布进行计算,并与文献中的结果进行比较,证明了该方法的正确性和可行性。同时又对半球形接收器和圆柱形接收器进行了实例计算,结果表明该方法不受聚光器或接收器面型的限制,算法简单,通用性也较强,从而为系统的优化设计和能流密度的测量奠定基础。     

Numerical Algorithms for Estimating Probability Density Function Based on the Maximum Entropy Principle and Fup Basis Functions

Estimation of the probability density function from the statistical power moments presents a challenging nonlinear numerical problem posed by unbalanced nonlinearities, numerical instability and a lack of convergence, especially for larger numbers of moments. Despite many numerical improvements over the past two decades, the classical moment problem of maximum entropy (MaxEnt) is still a very demanding numerical and statistical task. Among others, it was presented how Fup basis functions with compact support can significantly improve the convergence properties of the mentioned nonlinear algorithm, but still, there is a lot of obstacles to an efficient pdf solution in different applied examples. Therefore, besides the mentioned classical nonlinear Algorithm 1, in this paper, we present a linear approximation of the MaxEnt moment problem as Algorithm 2 using exponential Fup basis functions. Algorithm 2 solves the linear problem, satisfying only the proposed moments, using an optimal exponential tension parameter that maximizes Shannon entropy. Algorithm 2 is very efficient for larger numbers of moments and especially for skewed pdfs. Since both Algorithms have pros and cons, a hybrid strategy is proposed to combine their best approximation properties.