帶電粒子與場(chǎng)互作用中粒子模擬方法研究.pdf

1、自從20世紀(jì)50年代以來(lái)，計(jì)算方法在理解和研制真空電子器件及其相應(yīng)的高功率器件(如HPM管)方面一直起著關(guān)鍵性的作用。算法能力的增強(qiáng)和計(jì)算機(jī)功能的不斷強(qiáng)大推動(dòng)了模擬技術(shù)的發(fā)展。電磁粒子模擬方法正是在這一背景下發(fā)展起來(lái)的研究帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)及其相互作用的一種理論研究方法。它通過(guò)對(duì)Maxwell方程和帶電粒子運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值積分求解，直接給出電磁場(chǎng)和帶電粒子運(yùn)動(dòng)的物理圖象。目前這一理論研究方法得到了迅猛的發(fā)展并逐漸成熟起來(lái)。 基于

2、以上原因，本論文詳細(xì)探討了粒子模擬的基本原理及相關(guān)技術(shù)。其主要工作如下： 1．給出了粒子模擬的空間Yee網(wǎng)格模型和時(shí)間蛙跳模型，推導(dǎo)了粒子模擬的時(shí)域離散電磁場(chǎng)算法公式，研究了粒子模擬的粒子與場(chǎng)互作用原理，討論了粒子模擬常用邊界條件的設(shè)置方法，給出了粒子模擬基本網(wǎng)格剖分方法。 2．研究了爆炸式發(fā)射、束發(fā)射、回旋發(fā)射三種常用發(fā)射的唯象描述方法，并對(duì)每一種發(fā)射模型都給出了算例進(jìn)行正確性驗(yàn)證。 3．給出了金屬支撐桿的FD

3、TD(時(shí)域有限差分)模擬實(shí)現(xiàn)方法，并將此此方法應(yīng)用到粒子模擬軟件上，給出了算例進(jìn)行正確性驗(yàn)證。 4．研究了基于OpenMP和MPI的粒子模擬并行算法，分別將這兩種算法應(yīng)用到粒子模擬軟件上進(jìn)行了效率測(cè)試，并提出了將此兩種并行方法結(jié)合起來(lái)以提高運(yùn)算速度的思想。 5．將FDTD方法應(yīng)用到高功率喇叭天線的模擬中，并以一個(gè)高功率微波喇叭天線為例驗(yàn)證了原理的正確性6．對(duì)粒子模擬的輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了基于CAD的圖形輸入設(shè)置