【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算电磁学频域数值领域，更为具体的，涉及一种结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法。
技术介绍
1、复杂外形目标电磁散射、复杂电磁环境电磁干扰都需要计算电磁场空间分布，电磁场满足麦克斯韦方程组，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（computational fluid dynamics, cfd）技术在电磁场计算中的应用，其中时域有限差分法(finite difference time domain, fdtd)和时域有限体积法(finite volume time domain, 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yee算法中，首先在感兴趣区域（目标及其周围一定空间）生成笛卡尔直角正交网格，电场和磁场各分量在网格空间的取值点被交叉放置，使得在每个坐标平面上每个电场分量的四周由磁场分量环绕，同时每个磁场分量的四周由电场分量所环绕，这样的电磁场配置符合法拉第感应定律和安培环路定律的要求，这种网格通常称为yee氏网格。fdtd 方法基于yee 网格，具有很高计算效率与并行可扩展性，在规则区域结构化网格上，有限差分法是十分简便而有效的，其不足是离散方程的守恒特性难以保证，对不规则区域的适应性差、对复杂模型的处理能力弱，计算精度较差。时域有限体积方法(fvtd) 直接将麦克斯韦方程组守恒律的积分形式应用
2、时间域计算有利于模拟宽带脉冲电磁波信号辐射、散射，但如果入射波是单频简谐信号，则可以在频域中计算电磁场。传统频域方法主要有解析方法、高频近似方法和全波数值方法。解析方法仅可以求解特殊几何形状简单目标电磁散射，对于实际几何复杂目标无能为力。高频近似方法包括几何光学(geometrical optics, go)、几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, gtd)、物理光学(physical optics, po)、物理绕射理论(physical theory of diffraction, ptd)、一致性几何绕射理论(uniform theoryof diffraction, utd)、一致性渐进理论(uniform asymptotic theory, uat)和等效边缘电流法(method of equivalent current, mec)等，基于高频场局部性原理仅考虑部件或细小单元在入射波下产生的散射场，不考虑部件或单元之间的相互耦合，高频方法在分析复杂结构目标的电磁散射时精度较差。全波数值方法直接求解 maxwell 偏微分方程或电磁流积分方程，不作任何近似具有较高计算精度，在计算机资源允许情况下，全波数值方法可以求解任意频率的电磁问题。高精度全波电磁数值方法主要分为两类：一类是求解以电流为变量积分方程，包括矩量法（method of moment, mom）及后续发展的多极子方法（fastmultipole method, fmm）、多层快多极子方法(multi-level fast multipole algorithm,mlfma)；另一类求解以电磁场为变量的maxwell微分或亥姆霍兹（helmholtz）波动方程的fdtd方法和有限元方法（finite element method, fem）。
3、这些全波仿真方法通常都会涉及迭代求解过程，因此数值模拟除计算精度外，计算效率也是关乎方法应用性的关键一环。迭代最大时间步长依然受到当地稳定性条件限制，缓慢收敛速度在很大程度上会制约数值模拟在实际工程中的应用。随着工程问题变得越来越复杂、计算的网格规模也越来越大，如何提高电磁场计算效率，加快电磁场迭代收敛速度就变得至关重要。
4、经典迭代法如gauss-seidel迭代、jaccobi迭代、sor迭代等，开始几次迭代近似解与真解之间误差衰减很快，但是后来的迭代误差衰减很慢，而且系数矩阵条件数越高，达到一定精度所需要的迭代次数越多。经过对迭代进行傅立叶分析发现高频误差分量在迭代过程迅速衰减，而低频误差分量确衰减很慢，并认识到高频振荡误差是局部行为，来源于附近几个网格点之间的相互藕合，与边界或距离较远的网格点信息无关；而低频光滑误差是全局行为，主要来源于边界信息。传统松弛方法都是局部性较强方法，因此能迅速抹平局部性高频振荡误差，但对全局性低频光滑误差却衰减缓慢，所以经过初始几次迭代后误差将呈现光滑性。1964年fdeorenko, “the speed of convergence of one iterativeprocess,” ussr computational mathematics and mathematical physics, vol. 4,no. 3,1964.首次提出的网格序列或多重网格法（multigrid method）是一种非常有效加速收敛方法，1979年brnadt , “multi-level adaptive solutions to boundary-valueproblems,” mathematics of computation, vol. 31, no. 138, 1977.将fedorenko成果用于求解椭圆型方程，高频误差可以很快被迭代格式消除掉，限制收敛速度的是剩下的低频误差。brnadt采用一系列逐步粗化的网格，先在最密的网格迭代以消除高频误差，之后将解通过插值传递到粗网格上，细网格剩下的低频误差相对于粗网格成了高频误差，因而可以进一步通过迭代消去一部分误差。如此在一系列不同粗细的网格上迭代消除不同频率的误差，再将消除了低频误差的值插值到细网格上，收敛速度大大提高。1991年jameson在aiaa 91-1956,“time dependent calculations using multigrid, with applicationsto unsteady flows past airfoils and wings”,把多重网格技术应用至cfd中的结构网格有限体积法中。几何多重网格优点包括结构上层次清晰，点与点以及元素与元素之间的结构关系非常明确且很有规律，各层网格之间的拓扑关系非常明确，粗、细网格之间的元素数目比非常容易控制，相邻两层网格之间的数据传递关系容易实现，因此结构网格上的多重网格法在cfd中得到广泛应用。
5、但是在计算电磁学领域，网格序列方法或几何多重网格方法研究不多，目前多应用在有限元方法中，例如2006本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，网格的密度保证每波长13-20个网格点，壁面的密度>300点/波长，几何奇异处加密到50-100个网格点/波长。
3.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，针对网格中的二维网格作如下处理：二维网格在垂直该二维网格所在平面按右手法则推进一层，以此作为三维问题特例统一计算。
4.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，所述网格数据文件包括结构网格块数目及每块三个曲线坐标系下维度。
5.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤3中，如果有等离子体外部流场情况，则步骤3还包括如下子步骤：输入对应等离子体外部流场的流场参数。
6.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步
7.根据权利要求6所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，下标的稀网格几何尺度相对下标的密网格几何尺度，网格的每个维度减半。
8.根据权利要求6所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述下层网格往上层网格具体为稀网格往密网格。
9.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤5中，所述定常虚拟时间步循环为隐式，其CFL数不受显式稳定性要求约束。
10.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤6中，迭代收敛判据为磁场在计算空间幅度差绝对值二阶矩下降到提前指定的标准，二维选取8.e-5，三维选取5.e-4。
...【技术特征摘要】
1.一种结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，网格的密度保证每波长13-20个网格点，壁面的密度>300点/波长，几何奇异处加密到50-100个网格点/波长。
3.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，针对网格中的二维网格作如下处理：二维网格在垂直该二维网格所在平面按右手法则推进一层，以此作为三维问题特例统一计算。
4.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤2中，所述网格数据文件包括结构网格块数目及每块三个曲线坐标系下维度。
5.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤3中，如果有等离子体外部流场情况，则步骤3还包括如下子步骤：输入对应等离子体外部流场的流场参数。
6.根据权利要求1所述的结构网格频域电磁场网格序列加速有限体积方法，其特征在于，所述步骤5中...
【专利技术属性】
技术研发人员：许勇，陈坚强，牟斌，江涛，丁明松，高铁锁，董维中，梅杰，蒋军，张凡，
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：
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