Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління
Кафедра АІВТ
Реферат
на тему:
«Розробка програмного комплексу для обчислень методом кінцевих різниць в часових областях»
Виконав:
ст. гр. 1СІ-10 б
Білоус В.В.
Перевірив:
Квєтний Р. Н.
Вінниця 2013
Зміст
Вступ 3
1. Огляд існуючих програмних комплексів 5
2. Теоретичні відомості 8
2.1 Метод FDTD 8
2.2 Граничні умови PEC симетрії і АВС 13
3. Програмна реалізація 23
3.1 Вибір мови програмування 23
3.2 Попередня структура програми 24
Висновок 26
Література 27
Вступ
Актуальність. Метод кінцевих різниць у часовій області (FDTD - Finite-Difference Time-Domain) в даний час є одним з найпопулярніших методів чисельного вирішення електродинамічних задач. На жаль, практично відсутні публікації вітчизняних авторів з цієї тематики, що, ймовірно, можна пояснити малою доступністю високопродуктивних ЕОМ, необхідних для повномасштабної реалізації методу FDTD. Ця ж причина довгий час стримувала розвиток методу і в світі - з появи першої роботи в 1966 році за початок вісімдесятих років публікації обчислювалися одиницями, але в міру зниження вартості обчислювальних ресурсів інтерес до методу зріс.
Метод FDTD універсальний - він може бути з успіхом застосований для моделювання наддовгих електромагнітних хвиль в геофізиці (включаючи процеси в іоносфері) і мікрохвиль (наприклад для вивчення сигнатурної радіолокації, розрахунку характеристик антен, розробки бездротових пристроїв зв'язку, в тому числі цифрових) ,вирішення завдань в оптичному діапазоні (фотонні кристали, наноплазмоніка, солітони і біофотоніки). Це і внутрішні завдання, включаючи аналіз хвилепровідних і резонансних структур складної форми з неоднорідностями, хвилеводних і мікрополоскових, і моделювання випромінюючих структур, антен, і аналіз активних приладів НВЧ, і багато іншого. Особливо ефективним є застосування методу FDTD в тих завданнях, в яких пасують традиційні підходи, зокрема - де важлива можливість аналізу нестаціонарних процесів.
Головними дослідниками цього методу були: Кейн Йі(базовий алгоритм), Аллен Тафлов(дав назву методу), Г.Мур, П.Ліао, В.Гварек, Х. Чоі, А. Крейгсман, М. Сулліван, В. Суі, А. Томас, Г. Малоней, П. Кеслер, С. Награ, А. Роден, Д. Гедні.
Мета дослідження: розробка методики для отримання числових рішень проходження процесів поширення хвиль розв’язанням диференціальних рівнянь методом FDTD(Finite Difference Time Domain), з реалізацією на запропонованій мові програмування з подальшим удосконаленням продукту та графічним відображення.
Об’єкт дослідження: процес поширення хвиль та задачі в оптичному діапазоні.
Предмет дослідження: реалізація даного методу на мові програмування Java.
Наукова новизна полягає у отриманні нових даних по застосуванню даного методу в оптичному секторі досліджень поширення хвиль, та появою нового ПЗ, що дозволить проводити дослідження та розрахунки у відповідних сферах.
Огляд існуючих програмних комплексів
OptiFDTD представляє собою потужне, високо інтегроване і зручне середовище CAD, яке дозволяє проектувати і моделювати передові пасивні і нелінійні фотонні компоненти.
OptiFDTD дозволяє розробляти, аналізувати і тестувати компоненти для поширення хвиль, розсіювання, відбиття, дифракції і поляризації . В основі програми OptiFDTD - метод кінцевих різниць у часовій області (FDTD) алгоритм другого порядку точності і самі передові граничні умови - одноосьовий ідеально узгоджений шар (UPML).
Алгоритм вирішує електричні і магнітні поля в тимчасових і просторових доменах. Це дозволяє для будь-яку геометрію моделі і не накладає ніяких обмежень на властивості матеріалу .
Застосування:
поверхневого плазмового резонансу (SPR);
нано-частинки і клітини тканин;
дифракційні мікро-оптичні елементи і лінзи;
комплекс інтегрованих структур оптики;
нелінійні матеріали, дисперсійні матеріали;
оптичні мікро-кільцеві фільтри і резонатори;
решітки на основі хвилеводних структур;
електромагнітні явища;
FDTDpro дозволяє спостерігати в процесі рахунку картини поширення електромагнітних хвиль, обчислювати струми, напруги, хвильовий опір, резонансні частоти, поглинену енергію, питому поглинену потужність (SAR), потужність випромінювання антен.
Програма FDTDpro являє собою один exe-файл, в який вбудовані:
обчислювальний модуль;
тривимірний редактор об'єкта;
імпорт об'єктів з формату dxf;
модуль візуалізації із записом на диск послідовної серії картинок поширення електромагнітних хвиль;
ряд інших сервісних функцій.
Програму FDTDpro можна використовувати:
у навчальному процесі при вивченні теорії електромагнітних хвиль;
в інженерній практиці для розрахунків різних пристроїв (хвилеводів, СВЧ-резонаторів, деяких типів антен);
для проведення розрахунків з електромагнітної сумісності;
для вивчення впливу синусоїдальних та імпульсних електромагнітних полів на живі організми, в т.ч. на людину (наприклад, СВЧ-випромінювання, випромінювання мобільних телефонів);
для розрахунків ефективної площі відбиття, полів в далекій зоні, діаграм спрямованості.
Програма має масу налаштувань та змогу ознайомитись з можливостями в дещо обмеженому режимі.
FDTD Solutions це 3D-застосунок, здатний аналізувати взаємодії ультрафіолетового, видимого та ІЧ-випромінювання зі складними структурами функції довжин хвиль. FDTD Solutions дає можливість точно враховувати матеріальну дисперсію в широкому діапазоні довжин хвиль за допомогою власного Multi-коефіцієнта моделювання.
Основні переваги FDTD Solution
зниження витрат на розробку продукту за допомогою високоточних алгоритмів з вбудованою оптимізацією, яка дозволяє швидке віртуальне прототипування, щоб уникнути дорогого фізичного прототипувння.
скорочення часу виходу на ринок завдяки високо оптимізованого ядра моделювання, розробленого для високої пропускної оцінки передових обчислювальних систем.
сідвищення продуктивності за допомогою інструментів проектування, використання на з метою сприяння швидкому навчанню і швидкого початку роботи.
Особливості FDTD Solution
моделювання довільної геометрії в 2D, 3D
паралельні обчислення на декількох комп'ютерах
дисперсійні, нелінійні, посилюючі і анізотропні матеріальні можливості моделювання
паралельні обчислення на багатоядерних і багатовузлових системах
оптимізація обчислювального ядра
розширена сітка алгоритмів
потужна скриптова мова
налаштування дизайну та ієрархічний макет
фільми Моделювання динаміки