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带电粒子与场互作用中粒子模拟方法研究

刘大刚  
【摘要】: 自从20世纪50年代以来,计算方法在理解和研制真空电子器件及其相应的高功率器件(如HPM管)方面一直起着关键性的作用。算法能力的增强和计算机功能的不断强大推动了模拟技术的发展。电磁粒子模拟方法正是在这一背景下发展起来的研究带电粒子在电磁场中运动及其相互作用的一种理论研究方法。它通过对Maxwell方程和带电粒子运动方程数值积分求解,直接给出电磁场和带电粒子运动的物理图象。目前这一理论研究方法得到了迅猛的发展并逐渐成熟起来。 基于以上原因,本论文详细探讨了粒子模拟的基本原理及相关技术。其主要工作如下: 1.给出了粒子模拟的空间Yee网格模型和时间蛙跳模型,推导了粒子模拟的时域离散电磁场算法公式,研究了粒子模拟的粒子与场互作用原理,讨论了粒子模拟常用边界条件的设置方法,给出了粒子模拟基本网格剖分方法。 2.研究了爆炸式发射、束发射、回旋发射三种常用发射的唯象描述方法,并对每一种发射模型都给出了算例进行正确性验证。 3.给出了金属支撑杆的FDTD(时域有限差分)模拟实现方法,并将此此方法应用到粒子模拟软件上,给出了算例进行正确性验证。 4.研究了基于OpenMP和MPI的粒子模拟并行算法,分别将这两种算法应用到粒子模拟软件上进行了效率测试,并提出了将此两种并行方法结合起来以提高运算速度的思想。 5.将FDTD方法应用到高功率喇叭天线的模拟中,并以一个高功率微波喇叭天线为例验证了原理的正确性 6.对粒子模拟的输入输出系统进行了研究,提出了基于CAD的图形输入设置系统和基于Windows操作系统的多窗口输出系统的设计思路,并将其应用到粒子模拟软件上给出了实际输入输出效果。


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