[发明专利]一种基于GPU架构的微波部件微放电数值模拟方法

权利要求书

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，具体过程如下：

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；

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，具体过程如下：

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N_i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。

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δ_se、δ_se对应的入射电子能量值E_m、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。