有限差分材料元素的有效“厚度”

计算科学 有限差分 电磁学
2021-12-08 13:18:31

我有一个 3D 有限差分公式(对于使用标准 Yee 单元网格的时间谐波麦克斯韦。)可以通过将所需的电场分量强制为 0 来实现“完美电导体”条件。(这也可以通过使有效的ϵr有一个非常大的虚部,但对于 PEC,只执行 0 场幅度条件是最简单和最稳定的。)

如果我将单个字段组件(例如单个 Yee 单元的 Ex)定义为 PEC,我想知道定义材料的有效尺寸\体积对于网格间距dx. 显然,它不仅仅是一条极细的 PEC 线,但同时它看起来不像是一个完整的网格单元(即,是一个有体积的 PEC 块)dx3) 因为它周围的场分量不是 PEC。

如果问题不清楚,请告诉我,我会尝试进一步澄清。谢谢!

1个回答

我认为可视化或扩展 Yee 单元行为的一个好方法是认识到它是一种特殊的混合有限元方法,其中 (i) 空间已用轴对齐的六面体离散化 (ii) 卷曲符合函数(“边缘元素”)已用于模拟电场 E (iii) 发散一致元素(“小平面元素”)已用于模拟磁通量 B 和 (iv) 由 FEM 测试过程产生的所有体积积分通过集中积分来近似(每个立方体有 8 个等权重的正交点,每个节点一个)。

PEC 边界条件应用于边缘,允许您通过跟随六面体的边缘粗略地描绘出电线等(所以 IMO,您认为短接单个 Ex 会使 PEC 线变细的直觉是正确的 - FDTD 不会对此建模特别准确,因为它没有包含细线的场奇点而没有经过一些修改,但是对于一阶/零阶,你会得到一个细丝灯丝)。要强制执行一张 pec,您将在最接近您的表面的任何刻面集合上缩短两个横向分量(请注意,这也会自动强制 B 的法线分量在该表上为零)

Man-Fai Wong、Odile Picon 和 Victor Fouad Hanna[1] 的论文“Afinite element method based on whitney forms to solve Maxwell equations in the time domain”对混合有限元与 Yee 的 FDTD 之间的相似性进行了很好的讨论。您可能还会发现阅读“有限积分理论”/ FIT 方法[2] 来建模麦克斯韦方程组,这是 Yee 方法的类似概括(我认为商业软件“CST 微波工作室”是一个 FIT 代码。 . 至少是瞬态求解器部分)

参考:

[1] http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=376343

[2] http://www.jpier.org/PIER/pier32/03.00080103.clemens.pdf