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[学位]

电-磁-热多物理场直接耦合计算的自适应元胞法

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Author:

陈刚 (陈刚.)

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学位论文库

Abstract:

人们习惯于将自然现象划分为不同的学科领域来开展研究,并在此基础上建立了单物理场的认识体系。然而,自然界中绝大部分物理过程都是以双向耦合的多个物理场相互作用的形式存在的。因此,要深入分析这些物理过程的物理和数学本质,就需应用有效的多物理场耦合分析与计算方法。
多物理场的耦合分析方法一般可分为间接耦合分析和直接耦合分析。当用间接耦合分析求解双向耦合模型时,采用单物理场逐一求解的方法,每次只更新一个场的待求物理量,通过反复迭代求得最终结果,该方法的收敛性通常较差甚至无法收敛。而直接耦合分析是对多个物理场的待求量同时进行求解,可以有效地改善双向耦合模型求解的收敛性。因此,本文重点研究电-磁-热多物理场的直接耦合分析,取得的研究成果主要有以下几个方面。
采用比拟法将电学、磁学和热学等学科中的物理量进行分类,建立了基于强度量差和广延量流的统一物理描述语言,分析了不同学科中的本构关系和能量表征形式的相似性。在此基础上,研究了基于元胞法的不同物理场的统一建模方法,通过将强度量差和广延量流转化为待求积分量,消除了网格几何尺寸对拓扑方程的影响,从而建立了不同物理场的一致性计算方法。
分析并证明了本构方程的离散误差是元胞法的主要误差源,其误差大小与同一元胞内强度量差和广延量流的相对位置密切相关。采用后验误差估计方法建立了以减小本构关系误差为目标的带约束优化模型,提出了基于支持向量机和补丁恢复技术的对偶网格调节方法。数值实验表明,本文提出的自适应元胞法可以在粗网格下获得高精度的数值解,从而为求解多物理场空间多尺度模型奠定了理论和技术基础。
建立并分析了电-磁-热多物理场非线性耦合模型,提出了基于Jacobian-free Newton-GMRES(JFNG)的多场直接耦合计算方法。根据多物理直接耦合模型多自由度的特点,提出了耦合算子分裂预处理方法,通过改善多场系统系数矩阵的谱分布,提高了JFNG方法的收敛速度。耦合算子分裂预处理方法将Jacobian矩阵子块与已知向量的乘积运算转换为差分运算,避免了显式计算和预处理Jacobian矩阵,大大地节省了内存。

Keyword:

多物理场 预处理方法 直接耦合分析 自适应元胞法

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电气工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 马西奎

Year: 2015

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 12

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