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极坐标系下等离子体模拟的粒子推进算法

提出了一种在极坐标系下快速推进带电粒子的等离子体粒子模拟算法,该算法在每个时间步长内对带电粒子位置附近的区域采用局部直角坐标系近似,并通过坐标变换,得到粒子运动方程  (本文共4页) 阅读全文>>

中国科学技术大学
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通过粒子模拟和卫星观测对空间等离子体中波粒相互作用以及电子声孤立结构的研究

波粒相互作用是空间等离子体环境中非常重要的现象。利用一维网格粒子(PIC)模型,我们研究了等离子体对波的捕获以及等离子体中电子声孤立结构的形成。该等离子体由离子,冷、热和束流电子组成。我们还提出了一种更为广义的非麦克斯韦分布函数用于空间等离子体。此外,利用Magnetosperic Multiscale(MMS)航天器对于两种不同的等离子体(H+和He+)的直接测量,我们深入研究了波和粒子的能量交换过程。主要结果如下:1通过一维(1-D)网格粒子(PIC)模拟,在多粒子成分的等离子体中,研究电子声波的非线性效应。该等离子体中包含热电子,冷电子和束流电子,以及离子成分,以维持电中性条件。数值分析已经确定具有足够大振幅的电子声波倾向于捕获冷电子。电子声波是有色散的,波数不同的波模具有不同的相速度,因此可能导致冷电子的混合。冷电子最终被热化或加热。研究还表明,激发的电子声波频率很宽,这有助于理解地球极光区域的宽带一静电噪声(BEN)频...  (本文共114页) 本文目录 | 阅读全文>>

电子科技大学
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带电粒子与场互作用中粒子模拟方法研究

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FD...  (本文共115页) 本文目录 | 阅读全文>>

电子科技大学
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粒子模拟中标准数据接口的研究

由于真空电子器件中含有复杂的电磁场和粒子互作用,因而对于这些器件的研究依靠传统的方法难以获得精确的结果。现代计算机超强的计算能力带动了粒子模拟方法(PIC)的发展,使其发展成为一门新兴学科。PIC方法具有成本低廉,结果直观和操作难度小等优势。全三维粒子模拟软件CHIPIC3D是一款运用PIC粒子模拟对高功率微波器件进行模拟计算的软件。长期以来,该软件一直采用文本文件作为数据接口对仿真数据进行存储与处理。由于在粒子模拟仿真中会产生海量的数据,而传统的文本文件对于存储与处理这种海量的数据存在不足,会导致数据存储混乱,文件占用磁盘空间过大,难以打开阅读以及对于数据的处理低效的问题。因此有必要寻找一种新的数据接口,既可以有效的解决上述问题,又可以实现对于CHIPIC3D软件的兼容。HDF5文件是一种分层结构的,适用于大数据存储的文件。将HDF5文件作为CHIPIC3D的数据接口,是解决上述问题的有效手段。基于上述的原因,本课题的选题为“...  (本文共65页) 本文目录 | 阅读全文>>

电子科技大学
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粒子模拟下基于CUDA的GPU并行方法研究

近年来,随着高性能异构计算的快速发展,以GPU为代表的众核异构并行计算技术在科研领域开始广泛的应用,其独特的组织架构、强大的浮点计算能力和巨大的数据吞吐量,突破了传统的CPU计算摩尔定律的局限。在电磁粒子模拟仿真领域,时域有限差分方法具有高度并行性和计算密集性,且在电磁模拟计算中,计算过程尤其耗时,为了有效提高运算速度,缩短研发周期,本文的研究以三维粒子模拟软件CHIPIC-3D为基础,致力于在粒子模拟仿真计算中,将密集的电磁场迭代和粒子运动计算移植到CUDA,以CPU-GPU异构并行实现计算加速。CUDA并行移植过程遵循理论分析与编程实践相结合的原则。在深入理解GPU理论基础与硬件架构的基础上,以CUDA Fortran并行编程软件PGI Visual Fortran编译器为工具,实现了一维FDTD中心差分算法的并行计算,与单CPU串行程序相比获得最高10倍的计算加速;深入的理解了GPU并行计算优化的理论与方法,结合其共享内存...  (本文共61页) 本文目录 | 阅读全文>>

山东大学
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大气压非连续放电等离子体特性的粒子模拟研究

大气压下等离子体放电作为等离子体科学研究的重要领域,越来越多地受到了学界的关注。由于其容易在开放的环境下产生,因此对大气压等离子体的研究与应用具有重要意义。大气压等离子体在生物医学、环境保护、材料科学等诸多领域都有广泛应用。大气压放电因为气压高,碰撞剧烈,等离子体容易从非平衡态向热平衡态转化,因此较难控制。本文主要是通过非连续放电形式获得非热平衡等离子体,包括脉冲调制射频放电、纳秒脉冲放电。这样使得输入功率减小,放电体系温度较低。同时,非连续性放电可能产生大量高能电子,由于其可以依靠较高能量冲击化学键,促进甚至改变粒子之间的化学反应,因此广泛应用于各个领域,例如基因诱变,材料表面改性与处理等。大气压非连续等离子体放电存在气压高、间隙小、放电剧烈等特点,电子能量处于非麦克斯韦分布,电子能量概率分布函数(EEPF)随时间呈现出较长的高能电子尾部,表明产生大量高能电子。大气压等离子体在微尺度下的实验条件极度苛刻、诊断困难。本文对大气压...  (本文共73页) 本文目录 | 阅读全文>>