《计算电磁学》第五讲.ppt

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* 第五讲 吸收边界条件 Dr. Ping Du(杜平) E-mail: pdu@hfut.edu.cn HeFei University of Technology 为何要用吸收边界条件? 由于计算机内存空间有限,让我们的分析区域不能无限大,必须在某处 截断。另外,即使内存空间很大,也必须在某处截断。因为大的分析空间就 意味着巨大的计算时间。从节省计算时间的角度考虑,也必须截断。 有哪些吸收边界条件? ? 基于Sommerfeld辐射条件的Bayliss-Turkel吸收边界条件; ? 基于单向波动方程的Engquist-Majda吸收边界条件(1977年); ? Mur吸收边界条件(1981) ; ? Trefethen-Halpern近似展开(1986) ? Higdon算子; ? 利用差值技术的廖氏吸收边界条件 廖氏吸收边界条件比Mur二阶吸收边界条件在网格外边界引起的 反射要小一个数量级(20dB),对外向波传播角度或数值色散均不敏感, 并且在矩形计算区域的角点处也易于实现。 M. Moghaddam, R. L. Wagner和W. C. Chew (周永祖) 曾指出,如果 采用单精度计算,可能导致使用廖氏吸收边界条件的FDTD算法不稳定, 而采用双精度则可改善稳定性。 ? Mei-Fang超吸收边界条件(1992) ; ? PML完全匹配层 Engquist-Majda吸收边界条件 考虑二维情形时的齐次波动方程, (5-1) 其中U为标量场分量,c为波的相速度。定义偏微分算子 (5-2) 于是方程(5-1)可写为 (5-3) 算子L还可以通过因式分解写为 (5-4) 其中, (5-5) (5-6) (5-7) 在网格边界,如x=0处,将算子 作用于波函数将完全吸收以任意角度 入射 到边界的平面波,即将 (5-8) 用于图1中的边界x=0,可构成一个准确的解析吸收边界条件。 它将吸收来自区域Ω内的波。 图1 二维吸收边界条件 Fig.1. Two-dimensional ABC. 相似地,算子 作用于波函数,将构成x=a处的准确吸收边界条件。 对式(5-5)和(5-6)中根式的处理,可以用Taylor级数展开。 将 在s=0附近展开为Taylor级数, (5-9) 当s很小时,只取一项, (5-10) 将(5-10)代入(5-5)中,有 (5-11) 将其代入(5-8),可得 这就是所分析区域左侧边界x=0的一阶近似吸收边界条件。 (5-12) 将(5-9)中的级数取两项,有 (5-13) Substitution (5-13) in (5-5) yields (5-14) Substituting (5-14) in (5-8) has 这就是所分析区域左侧边界x=0的二阶近似吸收边界条件。 对于图1中的其他边界,相应的二阶近似解析吸收边界条件为 ,x=a边界(右边界) (5-15) (5-16) ,y=0边界(下边界) ,y=b边界(上边界) (5-17) (5-18) 考虑三维情形时的齐次波动方程, (5-19) 此时,偏微分算子 将L分解为 和 ,得到与(5)和(6)相同的准确吸收边界条件算子。 不同的是,s为 (5-20) (5-21) 算子作用于波函数U,将在网格左边界x=0处准确地吸收以任意角度 入射到边界的平面波。 利用Taylor级数近似展开式(5-10),可得到x=0处的 一阶吸收边界条件,其形式与(5-12)相同。 利用Taylor级数近似展开式(5-13),可得到x=0处的二阶吸收边界条件。 其表达式为 (5-22) 两边同乘以 ,得 (5-23) 当s很小时,(5-23)是准确吸收边界条件 的很好近似。 对于其他网格边界相应的二阶近似解析吸收边界条件为 ,x=a边界 (5-24) ,y=0边界 ,y=b边界 ,z=0边界 (5-25) (5-26) (5-27) ,z=h边界 (5-28) 对于矢量Maxwell方程的FDTD仿真,近似吸收边界条件(5-23)-(5-28) 中的U表示位于网格边界上的E和H的各个切向分量。 Mur差分格式 对于上述一阶、二阶近似解析吸收边界条件,Mur提出了一种简单有效 的差分数值算法。利用它们来截断FDTD仿真区域,总体虚假反射在1%-5%。 以一阶情形,x=0边界为例。在 处、 时刻 用中点差分来代替式(5-12)中的偏微分,得 (5-29) (5-30) 其中半网格点和半时间步长时刻的值,可用下列二阶精度的平均公式计算 (5-3

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