電磁場數(shù)值計算與仿真分析

第1章電磁場理論基礎(chǔ)1

1.1電磁理論的物理基礎(chǔ)1

1.2麥克斯韋方程組5

1.3媒質(zhì)的特性與本構(gòu)方程10

1.4能量與功率13

1.5波動方程15

1.6電磁場中的輔助位函數(shù)16

第2章時域有限差分法的基本概念21

2.1時域有限差分方法的基本原理21

2.2邊界條件26

2.2.1理想導(dǎo)電體與理想導(dǎo)磁體邊界27

2.2.2解析形式的吸收邊界條件28

2.2.3基于匹配衰減材料的吸收邊界條件31

2.3數(shù)值色散36

2.4穩(wěn)定性分析39

2.5復(fù)雜媒質(zhì)的處理方法44

2.5.1有耗媒質(zhì)44

2.5.2色散媒質(zhì)45

2.6傳輸線方程的數(shù)值解法47

2.6.1傳輸線模型48

2.6.2傳輸線方程的數(shù)值解50

第3章電磁場時域有限差分方法56

3.1概述56

3.2Yee網(wǎng)格與三維迭代算法59

3.3數(shù)值色散和穩(wěn)定性分析64

3.4激勵源的設(shè)置67

3.4.1源隨時間變化的形式67

3.4.2常用的激勵源模型69

3.5Mur吸收邊界條件72

3.6完全匹配層吸收邊界條件76

3.6.1場分裂方法76

3.6.2單軸媒質(zhì)完全匹配層吸收邊界條件80

第4章Meep電磁仿真系統(tǒng)的組成與構(gòu)建86

4.1Linux系統(tǒng)的命令行操作方式86

4.2Linux系統(tǒng)中軟件安裝方法91

4.2.1源碼安裝92

4.2.2二進(jìn)制包安裝 94

4.3Meep電磁場仿真系統(tǒng)的組成99

4.4Meep電磁場仿真系統(tǒng)的構(gòu)建101

4.4.1Unix和Linux系統(tǒng)上以源碼方式安裝102

4.4.2Linux和BSD系統(tǒng)上用二進(jìn)制包安裝106

4.4.3其他操作系統(tǒng)上的安裝方法107

4.5Scheme語言的編程環(huán)境108

4.5.1Guile的安裝與使用109

4.5.2Guile環(huán)境下的Scheme語言程序設(shè)計109

4.5.3Scheme與C混合編程112

4.6數(shù)據(jù)管理與過程控制116

4.6.1libctl的設(shè)計原則117

4.6.2控制文件的基本組成117

4.6.3libctl中的函數(shù)參考120

第5章波導(dǎo)和微帶線的仿真計算125

5.1Meep仿真系統(tǒng)編程基礎(chǔ)125

5.2二維電磁問題仿真分析131

5.3矩形波導(dǎo)及其不連續(xù)性分析139

5.3.1矩形波導(dǎo)的解析求解與數(shù)值仿真139

5.3.2波導(dǎo)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)145

5.3.3波導(dǎo)不連續(xù)性的仿真分析148

5.4微帶電路的仿真計算153

5.4.1微帶線的基本結(jié)構(gòu)與電磁特性154

5.4.2微帶電路的仿真計算157

5.5諧振腔的仿真計算165

5.5.1諧振腔概述165

5.5.2諧振腔的仿真計算實(shí)例169

第6章天線問題的仿真計算175

6.1天線問題的計算基礎(chǔ)175

6.1.1等效原理175

6.1.2輻射場計算178

6.2口徑面天線的仿真計算179

6.3一般天線的仿真計算187

第7章并行電磁場計算初步203

7.1并行計算的基本概念203

7.1.1并行計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)203

7.1.2常用的并行計算系統(tǒng)206

7.1.3并行編程模型207

7.1.4并行計算的基本過程209

7.2并行計算環(huán)境的構(gòu)建210

7.2.1PC機(jī)集群系統(tǒng)210

7.2.2消息傳遞接口MPI214

7.3Meep仿真系統(tǒng)中的并行程序設(shè)計217

7.3.1Meep仿真系統(tǒng)的C 語言接口217

7.3.2Meep仿真系統(tǒng)的并行程序設(shè)計221

附錄ALinux操作系統(tǒng)簡介227

A.1Linux操作系統(tǒng)簡史227

A.2Linux操作系統(tǒng)的安裝與使用230

A.3Linux操作系統(tǒng)上的程序設(shè)計235

附錄BScheme程序設(shè)計語言基礎(chǔ)240

B.1概述240

B.2數(shù)據(jù)類型242

B.3變量和作用域249

B.4程序流程控制250

B.5過程的定義與調(diào)用254

參考文獻(xiàn)256" 2100433B

《電磁場數(shù)值計算與仿真分析》主要討論基于時域有限差分方法的電磁場仿真分析技術(shù)，依次介紹了有限差分方法的基本概念、電磁場時域有限差分法的原理與實(shí)現(xiàn)、電磁場仿真計算平臺的構(gòu)建、電磁場理論與微波工程問題的仿真計算、電磁場并行計算方法研究等內(nèi)容。書中注重理論和實(shí)踐的結(jié)合，在闡明算法原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了自行建立仿真系統(tǒng)的方法，并用豐富的計算實(shí)例說明了如何進(jìn)行實(shí)際的仿真計算與分析。在附錄中列出了相關(guān)的計算機(jī)知識，以供需要時查閱。

《電磁場數(shù)值計算與仿真分析》可以作為電磁場與微波技術(shù)專業(yè)有關(guān)課程的教學(xué)用書，也可供從事電磁場理論研究和微波工程設(shè)計的相關(guān)人員參考。

第1章緒論

1.1流體數(shù)值計算與仿真的意義和方法

1.1.1機(jī)械管路內(nèi)流體數(shù)值計算與仿真的意義和計算流體力學(xué)

1.1.2流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值仿真

1.1.3計算機(jī)和數(shù)值計算

1.2流體數(shù)值仿真的步驟

1.3機(jī)械管路內(nèi)流體數(shù)值仿真的典型問題

1.3.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的數(shù)值仿真

1.3.2液壓管路內(nèi)過渡流的數(shù)值仿真

1.3.3液壓管路內(nèi)脈動流的數(shù)值仿真

1.4代數(shù)多重網(wǎng)格法及其在管路內(nèi)流體數(shù)值計算與仿真中的應(yīng)用

1.5物理量的單位和量綱

第2章管路內(nèi)典型流體流動的數(shù)學(xué)模型

2.1管路內(nèi)紊流的數(shù)學(xué)模型

2.1.1紊流基本方程

2.1.2紊流動能k方程和紊流耗散率ε方程

2.1.3“標(biāo)準(zhǔn)”型k—ε紊流模型方程組的構(gòu)成

2.1.4近壁低Re數(shù)型k—ε紊流模型

2.1.5圓管內(nèi)紊流的k—ε模型

2.1.6DHR型與DLR型k—ε紊流模型

2.1.7“標(biāo)準(zhǔn)”型、DHR型與DLR型k—ε紊流模型的關(guān)系

2.2紊流基本方程與k—ε紊流模型的導(dǎo)出依據(jù)

2.2.1紊流連續(xù)方程

2.2.2紊流運(yùn)動方程

2.2.3紊流能量方程

2.2.4k—ε紊流模型

2.2.5“標(biāo)準(zhǔn)”型k—ε紊流模型

2.2.6紊流方程組的封閉性

2.3管路內(nèi)非定常流的數(shù)學(xué)模型

2.3.1管路內(nèi)過渡流的數(shù)學(xué)模型

2.3.2管路內(nèi)脈動流的數(shù)學(xué)模型

第3章網(wǎng)格生成方法

3.1網(wǎng)格生成概述

3.2BFC網(wǎng)格自動生成方法

3.2.1BFC適體均勻網(wǎng)格自動生成方法

3.2.2BFC適體近壁密集型徑向非均勻網(wǎng)格自動生成方法

3.3BFC網(wǎng)格自動生成的源程序與實(shí)例

3.3.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流場BFC網(wǎng)格自動生成源程序及其說明

3.3.2BFC網(wǎng)格自動生成實(shí)例

第4章代數(shù)多重網(wǎng)格（AMG）法

4.1基本概念和術(shù)語

4.2—種常用的AMG法

4.2.1網(wǎng)格粗化算法及插值算子的構(gòu)造

4.2.2算法復(fù)雜度

4.2.3收斂性分析

4.2.4H—CAMG法

4.3基于AMG預(yù)條件子的預(yù)處理方法

4.4數(shù)值實(shí)驗(yàn)

第5章求解幾種典型離散系統(tǒng)的GAMG法

5.1求解二維九點(diǎn)格式的SMG法

5.1.1啟動部分

5.1.2求解部分

5.1.3數(shù)值實(shí)驗(yàn)

5.2求解各向異性網(wǎng)格問題的GAMG法

5.2.1具有局部各向異性的有限元網(wǎng)格

5.2.2求解各向異性網(wǎng)格問題的GAMG法

5.2.3在橢圓型方程組有限元分析中的應(yīng)用

5.3高次有限元方程的GAMG法

5.3.12D高次有限元方程的AMG法

5.3.23D高次有限元方程的AMG法

5.3.3收斂性分析

第6章DLR型k—ε紊流模型的數(shù)值方法

6.1DLR型k—ε紊流模型BFC法

6.2DLR型k—ε紊流模型BFC.AMG法

6.2.1DLR型k—ε紊流模型的BFC變換

6.2.2DLR型k—ε紊流模型方程組的離散化

6.2.3壓力泊松方程兩種差分格式的構(gòu)建

6.2.4數(shù)值化邊界條件的設(shè)置和處理

6.2.5有限差分離散化線性代數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6.2.6DLR型k—ε紊流模型方程組求解的耦合算法

6.3壓力泊松方程離散系統(tǒng)的求解方法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

6.3.1Point—SOR法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

6.3.2AMG法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

第7章錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)

7.1數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)

7.1.1數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)的組成

7.1.2數(shù)值計算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計及應(yīng)用軟件包

7.1.3數(shù)值計算源程序

7.2若干應(yīng)用實(shí)例與診斷分析

7.2.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的高精度數(shù)值仿真

7.2.2錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的高效數(shù)值仿真

7.2.3數(shù)值預(yù)測結(jié)果的等值線圖和可視化彩色圖像

7.2.4計算條件影響的診斷分析

第8章管路內(nèi)非定常流的數(shù)值仿真

8.1管路內(nèi)過渡流的數(shù)值仿真

8.1.1管路內(nèi)過渡流的數(shù)值方法與仿真模型

8.1.2數(shù)值計算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計及應(yīng)用軟件

8.1.3計算實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

8.1.4應(yīng)用軟件的數(shù)值預(yù)測功能、性能和用途

8.2管路內(nèi)脈動流的數(shù)值仿真

8.2.1管路內(nèi)脈動流的數(shù)值方法

8.2.2數(shù)值計算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計及應(yīng)用軟件包

8.2.3計算實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

8.2.4應(yīng)用軟件包的數(shù)值預(yù)測功能及用途

附錄錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流數(shù)值計算源程序清單及其說明（光盤）

參考文獻(xiàn)

內(nèi)容簡介 2100433B

第1章緒論

1.1有限元數(shù)值計算方法及其工程應(yīng)用

1.2計算機(jī)仿真技術(shù)的意義與趨勢

1.3現(xiàn)代計算機(jī)協(xié)同仿真技術(shù)與發(fā)展

1.4土木工程數(shù)值計算與仿真分析軟件簡介

第2章有限元數(shù)值計算和仿真技術(shù)的理論與方法

2.1彈性力學(xué)的基本理論與基本方程

2.1.1彈性力學(xué)中的基本概念

2.1.2彈性力學(xué)中的基本假定

2.1.3彈性力學(xué)的兩種平面問題

2.1.4平面問題的基本方程與邊界條件

2.1.5圣維南原理與疊加原理

2.2有限元數(shù)值分析的基本理論與方法

2.2.1有限單元離散

2.2.2位移模式與形函數(shù)

2.2.3虛位移原理與虛功方程

2.2.4單元剛度矩陣與整體剛度矩陣

2.2.5計算荷載的種類與數(shù)值處理

2.3多媒體技術(shù)與實(shí)現(xiàn)仿真的基本方法

2.3.1多媒體技術(shù)簡介

2.3.2多媒體協(xié)同設(shè)計環(huán)境

2.3.3工程研究的多媒體仿真分析

2.4線性與非線性有限元數(shù)值求解方法

2.4.1線性代數(shù)方程組的求解

2.4.2工程中的非線性問題及特點(diǎn)

2.4.3非線性方程組的求解

2.5結(jié)構(gòu)局部與整體穩(wěn)定問題的數(shù)值分析

2.5.1結(jié)構(gòu)屈曲基本原理及分類

2.5.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題計算方法

2.5.3有限元求解結(jié)構(gòu)屈曲的基本方法

2.5.4應(yīng)用ANSYS求解結(jié)構(gòu)屈曲的實(shí)現(xiàn)

2.5.5非線性屈曲分析的具體注

2.6巖土工程問題穩(wěn)定性數(shù)值分析方法

2.6.1瑞典圓弧法計算原理

2.6.2畢肖普法計算原理

2.6.3簡布的普遺條分法計算原理

2.7動力學(xué)問題的基本方程與求解方法

2.7.1動力響應(yīng)及荷載類型

2.7.2振動問題與波動問題

2.7.3動力響應(yīng)基本方程與波動問題的求解

2.8滲流與地震反應(yīng)問題的數(shù)值求解方法

2.8.1滲流問題的數(shù)值求解方法

2.8.2地震反應(yīng)分析的數(shù)值求解方法

2.9有限元并行計算技術(shù)及應(yīng)用前景

2.9.1單元分析的并行計算

2.9.2總體剛度矩陣的并行裝配

2.9.3約束條件的并行處理

2.10參數(shù)化設(shè)計方法與用戶可編程特性

2.10.1參數(shù)化設(shè)計語言APD

2.10.2參數(shù)化設(shè)計宏文件

2.10.3ANSYS的用戶可編程特性

第3章有限元數(shù)值計算與仿真分析的前處理方法

第4章有限元數(shù)值計算誤差估計與自適應(yīng)分析方法

第5章有限元數(shù)值計算與仿真分析的后處理方法

第6章土木工程數(shù)值計算與仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

主要參考文獻(xiàn)……2100433B