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PC和服务器集群下的并行FDTD算法及其应用研究

雷继兆  
【摘要】: 随着电子技术的发展,现代电磁工程问题越来越复杂,现有基于单处理器的电磁计算体系已经不能较好地满足工程需要。与此同时,计算机硬件高速发展,多核处理器、刀片服务器已经逐渐普及。进行电磁场数值算法的并行化研究,能够充分发挥高性能计算机的优势,提高复杂大型电磁问题的分析能力。时域有限差分(FDTD)法作为电磁场数值模拟中最重要的方法之一,具有自己独特的优势。基于上述原因,本文基于PC集群和服务器集群硬件平台,对并行FDTD算法及其应用进行了深入研究。本文的主要工作可以概括为: (1).从场值通信的角度介绍并实现了基于MPI的并行FDTD方法,提出了三维并行FDTD方法的流程,并组建了一个高性能PC集群系统。通过分析典型问题,提出了PC集群并行FDTD方法中最佳虚拟拓扑的概念,可以有效节约计算时间; (2).针对光滑曲线表面采用台阶近似的误差,介绍了一种综合全围线和部分围线积分的共形FDTD技术,应用于电大目标的典型部件以及PBG滤波器的弯曲结构建模。并将其与并行算法相结合,在验证其正确性的基础上,应用于微波光子晶体滤波器的仿真。与隔离度理论相结合,对电大平台的电磁兼容性问题进行了分析。在此基础上,提出了一种基于等效参数的共形技术,分析了涂层目标的电磁散射问题; (3).提出了一种应用并行FDTD方法分析含孔缝金属腔体屏蔽效能问题的新机制。针对该谐振问题,场值收敛很慢,本文采用加窗技术极大地缩短了仿真时间。另外,由于加窗时间难以确定,提出控制因子来实现自动控制加窗时间步。从而得到正确的屏蔽效能曲线。接着,通过对比屏蔽腔壁上分别开有形状、数目、分布位置不同的孔缝引起的屏蔽效果的差异,深入考察了影响屏蔽效能的因素,得到了一些有用的结论; (4).针对考虑耦合的相控阵分析这一难题,结合FDTD全波分析的优点,用并行FDTD方法对该问题进行了研究。从经典的阵列理论得到相控阵波束指向与激励相位的关系,确定了FDTD在相控阵分析时的加源方法。对电偶极子阵、微带天线阵列以及直升机加载后的特性进行了分析,表明了算法的有效性。接着,提出FDTD-UTD算法分析机载相控阵天线分析问题。用并行FDTD方法计算出天线的辐射复矢量场,将此结果作为点源代入UTD程序计算该矢量场受到机体的遮挡、反射、绕射以后的远区辐射特性; (5).在国内,将并行FDTD方法移植于HP ProLiant BL460c刀片服务器。从刀片服务器的体系结构出发,对其软硬件配置进行了说明。服务器集群中,计算节点众多,数据通信结构复杂。为了在刀片服务器平台发挥并行FDTD的最佳性能,以舰船模型上两根超短波天线的远场辐射分析为例,采用各种节点配置和MPI虚拟拓扑结构进行计算,分析了不同虚拟拓扑对并行性能的影响,提出了刀片服务器平台中并行FDTD的最佳虚拟拓扑选择原则; (6).给出一种基于STL和RAW等三角面片模型来提取FDTD立方体模型的方法,使得核心程序与模型无关。根据服务器平台下并行FDTD方法进程最佳虚拟拓扑的结论,对几个典型的电大模型的电磁散射特性进行了分析。最后,对工程中关心的大型波导宽边和窄边缝隙阵列进行了分析。


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