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时域有限体积法的格式稳定性分析

上海航天 2008年第6期25卷 34-38页

作者：苏敏童创明邓发升空军工程大学导弹学院陕西三原713800

以模型方程为例,采用MUSCL插值的S-W通量分裂格式,分别结合二步、四步龙格-库塔时间推进格式建立数值求解方法。用Von Neumann傅里叶级数分析方法,通过对不同格式的放大因子及色散因子的计算,分析了时域有限体积法(FVTD)格式的稳定性。

关键词：时域有限体积法稳定性 S-W通量分裂龙格-库塔法

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基于时域有限体积法的计算电磁

上海航天 2008年第3期25卷 23-26,61页

作者：苏敏童创明空军工程大学导弹学院陕西三原713800

介绍了基于计算流体力学(CFD)中的时域有限体积法(FVTD)的电磁计算。根据Maxwell方程组,给出了计算电磁(CEM)中FVTD的时间离散、MUSCL迎风型格式插值、空间离散和边界条件的处理,以及雷达散射截面(RCS)的计算公式。对无限长理想导体圆... 详细信息

介绍了基于计算流体力学(CFD)中的时域有限体积法(FVTD)的电磁计算。根据Maxwell方程组,给出了计算电磁(CEM)中FVTD的时间离散、MUSCL迎风型格式插值、空间离散和边界条件的处理,以及雷达散射截面(RCS)的计算公式。对无限长理想导体圆柱和线天线二维完全导电体的表面诱导电流与雷达散射截面计算结果表明:FVTD是一种高效准确的时域有限方法。

关键词：计算流体力学时域有限体积法雷达散射截面电磁场数值计算

结构/直角网格下时域有限体积法在计算电磁中的应用研究

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结构/直角网格下时域有限体积法在计算电磁中的应用研究

作者：陈刚西北工业大学

学位级别：硕士

为实现气动、隐身性能的一体化设计,这十多年来,基于计算流体力学的时域有限体积法正被推广到计算电磁学中。本文在综合大量文献的基础上,分别给出了结构网格以及非结构网格下电磁场矢量共置于网格中心的FVTD算法;先后发展了结构网格下... 详细信息

为实现气动、隐身性能的一体化设计,这十多年来,基于计算流体力学的时域有限体积法正被推广到计算电磁学中。本文在综合大量文献的基础上,分别给出了结构网格以及非结构网格下电磁场矢量共置于网格中心的FVTD算法;先后发展了结构网格下一维电磁波传播、二维电磁散射问题以及非结构网格下三维电磁散射问题的求解器;完成了大量数值实验,其结果表明本文的计算软件精度较高,为进一步发展打下了良好的基础。结构FVTD算法中,空间离散时首先用MUSCL格式生成单元边界处的左、右状态变量,在此基础上利用某种方法完成通量计算。本文分析了两种通量计算方法,一种是基于特征分裂的Steger-Warming矢通量分裂方法,另一种是求解单元边界上近似黎曼解的通量差分分裂法。数值结果表明两种方法基本等价。完成通量计算后,方程组就简化为常微分方程组,这时可采用多种常微分方程数值解方法实现时间推进。本文对于一维情况分别采用了二步和四步龙格—库塔法,二维则只使用四步方法。对于上述的结构算法,本文首先对MUSCL格式和二、四步龙格—库塔法作了稳定性分析,明确了算法的稳定性和色散、耗散特性;通过对正弦波在自由空间及多层介质空间中的传播的数值模拟,考察了MUSCL格式、网格密度、CFL数、以及网格形式对波传播的耗散和色散的影响,从而给出相应参数取值指导。接着,本文将结构FVTD算法应用到二维目标电磁散射计算中,典型目标选择无限长导电圆柱和NACA0012翼型。目标表面诱导电流和双站雷达散射截面的计算值与解析解或文献结果的比较显示,本文结构网格下二维FVTD求解器能够解决从低频到高频较大频宽范围内散射问题,可应用于工程实际外形。另外,通过对圆柱体外形结果的讨论,掌握了相关参数对结果的影响以及取值范围。非结构FVTD算法仍采用半离散方式。空间离散时,给出了为获取分界面处变量所必需的基于一阶泰勒展开的重构方法。通过引入的重构方法获取左、右状态变量后,利用近似黎曼解方法即可完成通量计算,之后则可用求解常微分方程的方法实现时间推进。同时,本文将重构算法与时间积分紧密结合起来,给出了完整的时间推进算法。基于自适应笛卡尔网格具有生成、拆分、合并更为容易,具有更强的自适应和处理复杂外形能力等优点,本文采用直角网格实现非结构FVTD算法,编制了三维导电目标散射问题求解器。为检验求解器的精度和适用外形能力,本文先后选择完全导电球体、立方体和双球体等几何外形做了数值模拟。计算结果和解析级数解或文献结果比较显示,本文FVTD算法能计算三维目标的电磁散射。

关键词：时域有限体积法结构/非结构网格自适应直角网格麦克斯韦方程组电磁散射

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双时间步时域有限体积方法计算时变电磁场

电波科学学报 2015年第4期30卷 647-652页

作者：许勇黄勇周铸中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所四川绵阳621000

双时间步被引入到时域有限体积解算器这一直接求解麦克斯韦方程组的高精度数值方法中.双时间步方法作为非定常时间推进技巧,时间精度由物理时间步长决定,稳定性要求由定常子迭代时间步长所满足,从而放松了通常显式时间格式和网格对物理... 详细信息

双时间步被引入到时域有限体积解算器这一直接求解麦克斯韦方程组的高精度数值方法中.双时间步方法作为非定常时间推进技巧,时间精度由物理时间步长决定,稳定性要求由定常子迭代时间步长所满足,从而放松了通常显式时间格式和网格对物理时间步长的限制,达到节约计算量的目的.典型目标电磁散射计算表明:通过对物理时间步长、最大子迭代步数、子迭代收敛判据的合理选取,双时间步方法在保证计算精度的同时,能提高计算效率.

关键词：双时间步时域有限体积法电磁散射雷达截面

基于非结构Cartesian网格的电磁散射场计算

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清华大学学报（自然科学版） 2007年第11期47卷 2068-2071页

作者：张兆沈孟育张涵信清华大学航天航空学院北京100084 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

计算流体力学中的网格技术和数值方法对于计算电磁学的应用具有借鉴意义。该文结合计算流体力学中的数值方法,建立了基于非结构Cartesian网格上的时域有限体积法,用于求解电磁散射问题。为保证这种方法在时间和空间上具有二阶精度,在时... 详细信息

计算流体力学中的网格技术和数值方法对于计算电磁学的应用具有借鉴意义。该文结合计算流体力学中的数值方法,建立了基于非结构Cartesian网格上的时域有限体积法,用于求解电磁散射问题。为保证这种方法在时间和空间上具有二阶精度,在时间离散上采用二步Runge-Kutta方法,空间离散采用非结构的二阶NND格式。通过求解时域中的Maxwell方程组,计算了二维翼型和三维乘波体外形等典型完全导电散射体的雷达截面。计算结果表明:该方法计算精度高,适用于复杂外形的电磁散射问题的求解。

关键词：计算电磁学非结构Cartesian网格雷达截面时域有限体积法 NND格式

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基于CFD的电磁散射数值模拟

空气动力学学报 2004年第2期22卷 185-189页

作者：许勇乐嘉陵中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格... 详细信息

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组。FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法。TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法。

关键词： CFD 电磁散射数值模拟计算流体力学时域有限体积法雷达散射截面

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基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法

水下无人系统学报 2023年第4期31卷 607-613页

作者：李丁山屈文璋许诚栾晓东孙溥姚斌冉启顺潘笑卓贤军郭锐闫建峰中国舰船研究院北京100192 中国自然资源航空物探遥感中心北京100083 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

随着声、磁隐身技术的快速发展,主流的声探测和被动磁探测效能大幅降低。经典的航空瞬变电磁法凭借主动探测、对高导体敏感及探测速度快等优势,在水下高导体目标探测领域极具潜力。文中从航空瞬变电磁法原理出发,基于圆形中心回线装置... 详细信息

随着声、磁隐身技术的快速发展,主流的声探测和被动磁探测效能大幅降低。经典的航空瞬变电磁法凭借主动探测、对高导体敏感及探测速度快等优势,在水下高导体目标探测领域极具潜力。文中从航空瞬变电磁法原理出发,基于圆形中心回线装置形式求得时间域垂直磁场响应公式,通过构建海水—高导电层—海水—海底岩石层状模型,研究了不同目标层深度及不同收发高度下一维模型中垂直磁场响应特征;并基于三维时域有限体积法对水下高导长方体进行正演计算,获得接收线圈中心处d Bz/dt的衰减曲线。一、三维仿真结果均表明:当海水中存在高导电率目标体时,其垂直磁场响应特征与无目标存在时有明显差异。反演成像中,利用高斯白噪声合成不同信噪比的仿真数据,结合OCCAM反演算法对水下目标体进行一维计算,对比不同信噪比下水中目标检测效果。结果显示:当信噪比大于等于10 dB时,水中存在的高导电层可以被有效检测;当达到40 dB时,高导电层的深度及厚度信息也有较好地判断。最后,在40 dB的信噪比下,将高导电层电阻率值按比例减小,发现该方法仍对目标层的深度信息有明显的反应。综合以上正演及反演计算过程,有效验证了该方法在水下高导体探测领域的可行性。

关键词：航空瞬变电磁法水下目标探测中心回线装置时域有限体积法 OCCAM算法高斯白噪声

基于计算电磁学方法的直升机雷达散射特性分析

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基于计算电磁学方法的直升机雷达散射特性分析

作者：肖斌南京航空航天大学

学位级别：硕士

武装直升机隐身性能是其战场生存能力的重要保障，隐身设计在继气动布局设计之后越来越被重视，正逐渐成为当前直升机设计领域的研究热点。精确、高效的雷达散射截面（RCS）预估方法是隐身设计的关键，本文建立了基于计算电磁学时域有... 详细信息

武装直升机隐身性能是其战场生存能力的重要保障，隐身设计在继气动布局设计之后越来越被重视，正逐渐成为当前直升机设计领域的研究热点。精确、高效的雷达散射截面（RCS）预估方法是隐身设计的关键，本文建立了基于计算电磁学时域有限体积法（FVTD）的直升机电磁散射特性求解方法和程序，数值模拟了电磁波在自由空间及多层介质中传播问题，在此基础上，分析了不同直升机旋翼翼型的雷达散射特性及直升机雷达散射截面。主要研究内容如下：作为背景和前提，第一章简要概括了国内外雷达隐身技术的研究现状，总结了现有研究方法的优缺点，指出采用时域有限体积法进行直升机雷达隐身特性研究的必要性和重要意义，并介绍了本文的主要工作。论文的第二章，介绍了时域有限体积法的基本原理，简要推导了适合求解守恒形式麦克斯韦方程组的Steger-Warming矢通量分裂方法和MUSCL插值方法，并给出了基于显式Runge-Kutta法的时间离散方法。此外还给出了良导体边界条件和远场边界条件处理方法、时-频域变换技术、近-远场变换技术以及雷达散射截面的计算公式。基于第二章的内容，在本文的第三章中，建立了一维时域有限体积法和程序，数值模拟了电磁波在自由空间和多层介质中的传播特性，并与解析解进行了对比，验证了本文方法的可行性。此外，还计算分析了网格密度、插值的差分格式和CFL数对计算结果精度的影响，获得了一些有意义的结果。第四章，在上一章建立一维FVTD方法的基础上，结合CFD中的代数网格生成方法，建立了二维时域有限体积法和程序。在通过数值模拟无限长导体圆柱电磁散射问题验证该方法有效性的基础上，着重对多种直升机旋翼专用翼型的电磁场分布和双站雷达散射截面开展了数值分析，并得出了一些关于旋翼翼型外形设计参数对其雷达散射特性影响的结论。第五章，在上述研究方法基础上，结合代数网格生成方法继续发展三维FVTD算法并完成程序编制。首先对自由空间导体球的电磁散射特性进行了数值模拟，在此基础上，尝试对直升机旋翼桨叶和机身的雷达散射特性进行初步数值分析，得到了一些关于直升机雷达隐身设计的有价值的结论。

关键词：直升机计算电磁学旋翼翼型雷达散射截面时域有限体积法

时域电磁计算的LU分解ADI-FVTD方法

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微波学报 2024年第S1期 1-4页

作者：许勇牟斌中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

本文提出一种新的时变电磁场交替方向全隐有限体积计算方法，麦克斯韦方程组和空气动力学欧拉方程同为双曲型偏微分方程组，因此计算流体力学（CFD）技术能够在计算电磁学（CEM）中得到推广求解高精度电磁场。不同于ADI-FDTD仅采用物理... 详细信息

本文提出一种新的时变电磁场交替方向全隐有限体积计算方法，麦克斯韦方程组和空气动力学欧拉方程同为双曲型偏微分方程组，因此计算流体力学（CFD）技术能够在计算电磁学（CEM）中得到推广求解高精度电磁场。不同于ADI-FDTD仅采用物理时间求导项，本文采用双时间方法添加定常虚拟时间导数项，使得物理时间推进步长仅由数值精度决定而不受稳定性限制，稳定性则由虚拟时间子迭代满足。本文隐式迭代采用雅可比系数矩阵分裂，得到在不同方向上的交替方向追赶法（ADI），隐式通量计算采用Steger-Warming分裂，并逐维度进行LU前后向迭代求解，如此得到全隐时变电磁场数值模拟，在保持高数值精度同时，节省计算时间并提升计算效率。

关键词：计算流体力学麦克斯韦方程组交替方向隐式时域有限体积法电磁场