CN110442919A - 一种基于gpu架构的微波部件微放电数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,步骤如下:1)建立微波部件的三维模型,确定三维模型的材料和材料的二次电子发射特性参数,确定微波部件微放电仿真参数;2)建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型;3)确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布;4)基于GPU技术在每个小网格中求解麦克斯韦方程组迭代更新电磁场分布,获得M个时间步的所有电磁场值;5)求解洛仑兹力方程组迭代更新粒子运动,获得M个时间步每个时间步的总粒子数,完成输入功率为P时的微放电数值模拟,确定输入功率为P时微放电是否发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法。
背景技术
微放电是影响航天器有效载荷长寿命、高可靠运行的关键性因素,也是大功率输入下通信、数传和导航等航天器最严重的单点失效环节。尤其对于复杂介质微波部件,例如介质双工器、铁氧体环行器等,一旦发生微放电则会导致无法在轨修复的硬故障。由于无法在轨充分验证,而地面试验一方面无法覆盖全部的空间环境条件和实际工况特性,另一方面试验周期长、费用高昂,开展数值模拟和仿真设计是进行地面充分验证的关键,也是进一步实现大功率微波部件智能化设计与制造的必须。美、俄、欧等航天强国宇航组织从上世纪开展空间探索以来一直致力于微放电分析软件的开发与应用,于2003年基于等效模型和实验修正研制成功了微放电仿真软件MultiCal,并很快成为各国开展微放电设计的行业标准,创造了巨大的军事与经济效益。随着微波技术、电磁计算技术的飞速发展,基于数值模拟技术开展微放电三维可视化仿真软件成为各国航天据研究的热点。对于我国而言,持续开展微放电基础软件研究不仅是打破航天强国核心技术垄断所必需,同时也是实现大功率分析与设计共性技术自主可控的关键。
在专利数据库中分别搜索“Mulitopactor threshold”、“simulation”、“method”和“微放电阈值”、“仿真”、“方法”,查阅到多篇关于微放电仿真方法的资料,对比如下:
“卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法(授权号CN100550028C)”,主要涉及一种航天结构与空间等离子体带电环境相互作用的数值模拟与分析方法,采用粒子模拟方法对等离子体带电环境进行模拟,不涉及微放电数值模拟,亦不涉及粒子模拟仿真效率的提高,与本发明存在本质不同;
发明专利“一种快速确定微波部件内电子数目变化趋势的方法(授权号ZL201318004865.1)”和“一种确定多载波微放电二次电子数目的方法(授权号ZL201210253839.7)”分别提出了通过概率统计解析计算微波部件在单载波和多载波激励下电子数目随时间变化趋势,与本发明存在显著不同。
查阅文献,在数据库中分别搜索“Mulitipactor simulation”、“Improvement ofsimulation efficiency”、“微放电”、“数值模拟”、“仿真效率”,查阅到多篇有关微放电的文献资料,其中涉及微放电数值模拟方法或者仿真方法的有:《Multipactor discharge ona dielectric surface:Statistical theory and simulation results》,A.Sazontov,V.Semenov,and M.Buyanova etc.PHYSICS OF PLASMAS 12,093501,2005涉及一种当存在静电场时,在介质表面获得二次电子到达时间的概率密度的解析方法,从而进行微放电分析的方法,未涉及本发明所述局部粒子模拟方法;《Multipactor Prediction in NovelHigh-Power Low-Pass Filters with Wide Rejection Band》,I.Arregui,S.Anza,I.Arnedo,Proceedings of the 39th European Microwave Conference,2009涉及一种具有宽阻带的新型高功率低通滤波器的微放电击穿阈值,研究该类型滤波器的物理尺寸与阻带的关系,以及利用平板近似理论对不同物理尺寸滤波器进行微放电分析,与本发明存在本质不同;《Enhanced Prediction of Multipaction Breakdown in Passive WaveguideComponents including Space Charge Effects》,S.Anza,C.Vicente,D.Raboso,涉及考虑了空间电荷效应后的微放电仿真方法,未涉及提高微放电仿真效率方面内容,与本发明存在本质不同;《Prediction Tools of Multipactor Breakdown in Passive Componentsfor Space Applications》,V.E.Boria,B.Gimeno,C.Vicente,MTTS-IMS,2007涉及一种采用平板近似理论进行微放电分析的方法,与本发明存在本质不同。
另查阅到数篇微放电数值模拟与仿真的论文,分别涉及不同物理结构微波部件微放电分析方法,均未涉及如何提高微放电数值模拟仿真效率,与本发明存在本质不同。
发明内容
本技术解决的问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,。
本发明的技术方案如下:一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,步骤如下:
1)建立微波部件的三维模型,确定三维模型的材料和材料的二次电子发射特性参数,确定微波部件微放电仿真参数;
2)建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型;
3)确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布;
4)基于GPU技术在每个小网格中求解麦克斯韦方程组迭代更新电磁场分布,获得M个时间步的所有电磁场值;
5)求解洛仑兹力方程组迭代更新粒子运动,获得M个时间步每个时间步的总粒子数,完成输入功率为P时的微放电数值模拟,确定输入功率为P时微放电是否发生。
所述二次电子发射特性参数包括最大二次电子发射系数δse、δse对应的入射电子能量值Em、二次电子发射系数为1时对应的入射电子能量值E1和E2;所述仿真参数包括确定微放电仿真工组频率f0,工作频率对应的射频周期t1,工作波长λ0,进行微放电数值模拟的时间T0,并划分成M个时间步,每个时间步长Δt,输入功率P,确定GPU硬件系统属性。
所述步骤2)建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型的具体过程为:
将微波部件三维模型划分为若干个描述微波部件最小结构的小网格,每个小网格的尺寸小于0.1λ0,为每个小网格分配计算机存储空间,存储每个小网格位置处的电磁场值;利用粒子建立微放电电子的网格模型,为每个粒子分配计算机存储空间,存储每个粒子的运动参数,包括位移矢量和速度矢量;确定粒子电荷量、质量,存储为GPU显存中的constant类型变量。
所述步骤3)确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布的具体过程为:
设定每个小网格中的电磁场初始值均为0;确定粒子位移矢量的初始条件为随机分布于小网格中,确定粒子运动能量的初始条件为p电子伏特,设置p为0至5eV之间的随机数,确定粒子运动角度的初始条件为随机产生于0度到180度,从而确定粒子的初始分布。
所述步骤4)的具体过程为:
41)采用GPU技术在GPU显存中为每个小网格分配计算机存储空间,按时间步长间隔Δt同时进行所有小网格中电磁场的迭代计算,电场矢量E和磁场矢量H在直角坐标系中按x、y、z方向分量分别求解,得到电磁场分量Ex、Ey、Ez、Hx、Hy和Hz,采用时域有限差分方法在每个小网格的计算机存储空间中按照先更新电场再更新磁场的顺序依次计算电场分量和磁场分量;
42)通过一次迭代获得一个时间步中整个三维模型每个小网格中的电磁场计算结果;
43)按时间步推进计算确定微放电数值模拟的时间T0内M个时间步三维模型中的电磁场分布。
为计算电场分量Ex、Ey和Ez中需要用到的磁场分量数据分配共享显存并进行存储,为计算磁场分量Hx、Hy和Hz中需要用到的电场分量数据分配共享显存并进行存储,在计算时直接调用,并随时间步推进更新共享显存中的场值;
所述步骤5)的具体过程为:采用GPU技术与CUDA程序框架将粒子划分为若干个粒子组,然后对粒子组再次划分成若干个并行计算组,调用一次GPU设备核函数运行一个并行计算组的粒子计算,按时间步长间隔Δt同时进行每个并行计算组的粒子计算;第i个时间步的计算具体步骤为,i=1,2,……M:
51)根据每个小网格上的电磁场值通过线性插值确定粒子所在位置处的电磁场值,求解洛仑兹力公式得到粒子运动位移矢量与速度矢量;
52)确定一个GPU线程,存储粒子运动碰撞检测信息,在该时间步判断粒子是否运动到三维模型的边界;如果运动到边界,则删除为该粒子的计算机存储空间,根据粒子碰撞时的速度矢量和边界处材料的二次电子发射特性参数判断是否出射二次粒子,以及出射的二次粒子的数目、速度、运动方向,并为出射的二次粒子信息分配计算机存储空间,存储包括二次粒子的数目、位移矢量和速度矢量,作为下一个迭代时间步的输入信息;如果未运动到边界,则进行下一个时间步的计算;记录第i个时间步时总粒子数目Ni;
53)按时间步长间隔Δt推进,迭代计算步骤51)和步骤52),获得微放电数值模拟时间T0内粒子运动;根据Ni随仿真时间变化趋势判断输入功率为P时是否发生微放电;若在100个射频周期100t1后Ni随仿真时间逐渐增大,则判定输入功率为P时发生微放电;若在100个射频周期100t1后Ni随仿真时间逐渐减小,则判定输入功率为P时不发生微放电。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
对于微放电仿真而言,涉及电磁场的计算和电子运动轨迹、碰撞推进的模拟。本发明采用时域有限差分算法作为电磁计算核心算法,采用粒子模拟技术作为电子推进计算核心算法,在整体计算空间剖分而成的微小网格中逐个推进每个网格的电磁场计算和每个电子的运动,具有天然并行性。本发明从电磁核心算法和粒子模拟核心算法的总体框架出发,将微放电仿真过程进行分解,将计算量最大的网格电磁场推进和电子推进计算采用GPU算法进行并行,大幅度降低计算时间、提升计算效率,实现了快速有效的微放电数值模拟。
附图说明
图1是矩形波导阻抗变换器在不同输入功率下微放电粒子数目随时间变化趋势图。
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
如图1、2所示,本发明基于GPU架构的矩形波导阻抗变换器微放电数值模拟方法,主要包括下列步骤:
1、建立微波部件的三维模型,确定三维模型的材料和材料的二次电子发射特性参数,确定微波部件微放电仿真参数;
建立矩形波导阻抗变换器三维模型,确定三维模型的材料为金属银,确定金属银的二次电子发射特性,所述二次电子发射特性参数包括最大二次电子发射系数δse为2.22、δse对应的入射电子能量值Em为165eV、二次电子发射系数为1时对应的入射电子能量值E1为50eV和E2为1000eV,确定微放电仿真工组频率f0为3.9GHz,工作频率对应的射频周期t1为0.26ns,工作波长λ0为77mm,进行微放电数值模拟的时间T0为150ns,并划分成M个时间步,M为4,368,174,每个时间步长Δt为3.43×10-5ns,输入功率P为1730W,确定GPU硬件系统属性为NVIDIA GeForce GT 525M,时钟频率600Hz,显存带宽28.8GB/s,显存为2G,2个流多处理器,每个流多处理器包含48个流处理器;
2、建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型;
将微波部件三维模型划分为若干个描述微波部件最小结构的小网格,每个小网格的尺寸小于0.1λ0,为每个小网格分配计算机存储空间,存储每个小网格位置处的电磁场值;利用粒子建立微放电电子的网格模型,为每个粒子分配计算机存储空间,存储每个粒子的运动参数,包括位移矢量和速度矢量(加在实施例:以CUDA Array形式存储);确定粒子电荷量、质量,存储为GPU显存中的constant类型变量;
3、确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布;
确定每个小网格中的电磁场初始值均为0;确定粒子位置的初始条件为随机分布于小网格中,确定粒子能量的初始条件为p电子伏特,设置p为0至5eV之间的随机数,确定粒子运动角度的初始条件为随机产生于0度到180度;
4、基于GPU技术在每个小网格中求解麦克斯韦方程组迭代更新电磁场分布,获得M个时间步的所有电磁场值;
采用GPU技术在GPU显存中为每个小网格分配计算机存储空间,按时间步长间隔Δt同时进行所有小网格中电磁场的迭代计算,电场矢量E和磁场矢量H在直角坐标系中按x、y、z方向分量分别求解,得到电磁场分量Ex、Ey、Ez、Hx、Hy和Hz,采用时域有限差分方法在每个小网格的计算机存储空间中按照先更新电场再更新磁场的顺序依次计算电场分量和磁场分量;
其中磁场通过相同位置处上一个时间步Δt的磁场和周围网格节点中上一个迭代步1/2Δt时的电场共同求得;例如Ex的迭代公式为,
式中: n:表示第n个时间步数,即nΔt;i:表示第i个x轴方向的空间间隔数,即iΔx;j:表示第j个y轴方向的空间间隔数,即jΔy;k:表示第k个z轴方向的空间间隔数,即kΔz;σ:表示空间某一位置的导电率;ε:表示空间某一位置的介电常数;μ:表示空间某一位置的磁导率。
通过一次迭代获得一个时间步中整个三维模型每个小网格中的电磁场计算结果;
按时间步推进计算确定微放电数值模拟的时间T0内M个时间步三维模型中的电磁场分布;
5、求解洛仑兹力方程组迭代更新粒子运动,获得M个时间步每个时间步的总粒子数,完成输入功率为P时的微放电数值模拟,确定输入功率为P时微放电是否发生;
采用GPU技术与CUDA程序框架将粒子划分为若干个粒子组,然后对粒子组再次划分成若干个并行计算组,调用一次GPU设备核函数运行一个并行计算组的粒子计算,按时间步长间隔Δt同时进行每个并行计算组的粒子计算,第i个时间步的计算具体步骤为,1=1,2,……M:
51)根据每个小网格上的电磁场值通过线性插值确定粒子所在位置处的电磁场值,求解洛仑兹力公式得到粒子运动位移矢量与速度矢量,;
52)确定一个GPU线程,存储粒子运动碰撞检测信息,在该时间步判断粒子是否运动到三维模型的边界;如果运动到边界,则删除为该粒子的计算机存储空间,根据粒子碰撞时的速度矢量和边界处材料的二次电子发射特性参数判断是否出射二次粒子,以及出射的二次粒子的数目、速度、运动方向,并为出射的二次粒子信息分配计算机存储空间,存储包括二次粒子的数目、位移矢量和速度矢量,作为下一个迭代时间步的输入信息;如果未运动到边界,则进行下一个时间步的计算;记录第i个时间步时总粒子数目Ni;
53)按时间步长间隔Δt推进,迭代计算步骤51)和步骤52),获得微放电数值模拟时间T0内粒子运动;根据Ni随仿真时间变化趋势判断输入功率为P时是否发生微放电;若在200个射频周期200t1,即52ns后Ni随仿真时间逐渐增大,则判定输入功率为P时发生微放电;若在200个射频周期200t1后Ni随仿真时间逐渐减小,则判定输入功率为P时不发生微放电。对于此时输入功率P为1730W,在200个射频周期200t1后Ni随仿真时间逐渐减小,判定输不发生微放电。
改变输入功率,进行步骤1至步骤5的矩形波导阻抗变换器微放电数值模拟,如图1所示,在输入功率为1730W时不发生微放电,在输入功率为1750W时发生微放电,确定矩形波导阻抗变换器微放电阈值功率为1730W。针对矩形波导阻抗变换器微放电数值模拟,与传统数值模拟方法相比,基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法的计算效率提高如表1所示。
表1矩形波导阻抗变换器算法加速效果
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式,本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于步骤如下:
1)建立微波部件的三维模型,确定三维模型的材料和材料的二次电子发射特性参数,确定微波部件微放电仿真参数;
2)建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型;
3)确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布;
4)基于GPU技术在每个小网格中求解麦克斯韦方程组迭代更新电磁场分布,获得M个时间步的所有电磁场值;
5)求解洛仑兹力方程组迭代更新粒子运动,获得M个时间步每个时间步的总粒子数,完成输入功率为P时的微放电数值模拟,确定输入功率为P时微放电是否发生。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述二次电子发射特性参数包括最大二次电子发射系数δse、δse对应的入射电子能量值Em、二次电子发射系数为1时对应的入射电子能量值E1和E2。
3.根据权利要求2所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述仿真参数包括确定微放电仿真工组频率f0,工作频率对应的射频周期t1,工作波长λ0,进行微放电数值模拟的时间T0,并划分成M个时间步,每个时间步长Δt,输入功率P,确定GPU硬件系统属性。
4.根据权利要求3所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤2)建立微波部件三维模型的网格模型与微放电电子的粒子模型的具体过程为:
将微波部件三维模型划分为若干个描述微波部件最小结构的小网格,每个小网格的尺寸小于0.1λ0,为每个小网格分配计算机存储空间,存储每个小网格位置处的电磁场值;利用粒子建立微放电电子的网格模型,为每个粒子分配计算机存储空间,存储每个粒子的运动参数,包括位移矢量和速度矢量;确定粒子电荷量、质量,存储为GPU显存中的constant类型变量。
5.根据权利要求4所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤3)确定三维模型网格模型中电磁场初始分布和粒子的初始分布的具体过程为:
设定每个小网格中的电磁场初始值均为0;确定粒子位移矢量的初始条件为随机分布于小网格中,确定粒子运动能量的初始条件为p电子伏特,设置p为0至5eV之间的随机数,确定粒子运动角度的初始条件为随机产生于0度到180度,从而确定粒子的初始分布。
6.根据权利要求5所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤4)的具体过程为:
41)采用GPU技术在GPU显存中为每个小网格分配计算机存储空间,按时间步长间隔Δt同时进行所有小网格中电磁场的迭代计算,电场矢量E和磁场矢量H在直角坐标系中按x、y、z方向分量分别求解,得到电磁场分量Ex、Ey、Ez、Hx、Hy和Hz,采用时域有限差分方法在每个小网格的计算机存储空间中按照先更新电场再更新磁场的顺序依次计算电场分量和磁场分量;
42)通过一次迭代获得一个时间步中整个三维模型每个小网格中的电磁场计算结果;
43)按时间步推进计算确定微放电数值模拟的时间T0内M个时间步三维模型中的电磁场分布。
7.根据权利要求7所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:为计算电场分量Ex、Ey和Ez中需要用到的磁场分量数据分配共享显存并进行存储,为计算磁场分量Hx、Hy和Hz中需要用到的电场分量数据分配共享显存并进行存储,在计算时直接调用,并随时间步推进更新共享显存中的场值。
8.根据权利要求6所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤5)的具体过程为:采用GPU技术与CUDA程序框架将粒子划分为若干个粒子组,然后对粒子组再次划分成若干个并行计算组,调用一次GPU设备核函数运行一个并行计算组的粒子计算,按时间步长间隔Δt同时进行每个并行计算组的粒子计算;第i个时间步的计算具体步骤为,i=1,2,……M:
51)根据每个小网格上的电磁场值通过线性插值确定粒子所在位置处的电磁场值,求解洛仑兹力公式得到粒子运动位移矢量与速度矢量;
52)确定一个GPU线程,存储粒子运动碰撞检测信息,在该时间步判断粒子是否运动到三维模型的边界;
53)按时间步长间隔Δt推进,迭代计算步骤51)和步骤52),获得微放电数值模拟时间T0内粒子运动;根据Ni随仿真时间变化趋势判断输入功率为P时是否发生微放电。
9.根据权利要求8所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤52)中在该时间步判断粒子是否运动到三维模型的边界的具体方法为:
如果运动到边界,则删除为该粒子的计算机存储空间,根据粒子碰撞时的速度矢量和边界处材料的二次电子发射特性参数判断是否出射二次粒子,以及出射的二次粒子的数目、速度、运动方向,并为出射的二次粒子信息分配计算机存储空间,存储包括二次粒子的数目、位移矢量和速度矢量,作为下一个迭代时间步的输入信息;如果未运动到边界,则进行下一个时间步的计算;记录第i个时间步时总粒子数目Ni。
10.根据权利要求9所述的一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法,其特征在于:所述步骤53)中根据Ni随仿真时间变化趋势判断输入功率为P时是否发生微放电的具体过程为:若在100个射频周期100t1后Ni随仿真时间逐渐增大,则判定输入功率为P时发生微放电;若在100个射频周期100t1后Ni随仿真时间逐渐减小,则判定输入功率为P时不发生微放电。
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