[发明专利]一种用于磁化等离子体的时域有限差分方法

摘要

本发明公开了一种用于磁化等离子体的时域有限差分方法，具体为：步骤1、输入模型文件；步骤2、初始化和设置步骤1中的参数；步骤3、利用步骤2的参数，计算电场分量系数步骤4、利用步骤2的参数，计算电场分量系数步骤5、添加场源到y方向上的磁场分量系数中，并利用步骤3所得计算磁场分量系数步骤6、利用步骤4所得计算步骤7、利用电场分量系数计算极化电流密度步骤8、更新计算电磁场分量系数的辅助变量；步骤9、更新计算观测点处的电磁场分量；步骤10、将q+1赋值给q，并判断q是否达到预设值，若未达到预设值，则返回步骤3，若达到预设值，则结束。本发明计算速度快，内存消耗小，且对于低频和凋落波具有很好的吸收效果。

主权项

1.一种用于磁化等离子体的时域有限差分方法，其特征在于，具体按照以下步骤：步骤1、输入模型文件；具体输入的参数包括：计算区域大小N_z；空间步长Δz；时间步长Δt；真空中的电导率σ、磁导率μ₀、介电常数ε₀；等离子体中的碰撞频率υ；等离子体频率ω_p；电子回旋频率ω_b；等离子体在计算区域中的位置；吸收边界层数NPML与相关参数κ_zmax，α_zmax，σ_zmax，其中，κ_zmax取整数，κ_zmax取值范围为[1，60]，α_zmax取值范围为[0，1)，σ_zmax/σ_opt取值范围为(0，12]，σ_opt＝(m+1)/150πΔz，m取值范围为[1，20]，Δz取值范围为λ为源的波长；仿真计算时长T_f；加权拉盖尔多项式的阶数q，其中q≥0且为整数；时间尺度因子s，其中s取值范围为[10⁹,10¹³]；观测点；场源参数t₀,τ；步骤2、初始化和设置步骤1模型文件中的参数；初始化和设置步骤1所得参数：初始化的参数包括：将整个计算区域的电磁场分量系数整个计算区域的极化电流密度整个计算区域的电磁场分量系数的和整个计算区域的极化电流密度的和整个计算区域的辅助变量和拉盖尔多项式全部初始化为零，其中F_ζ表示E_x,E_y,H_x,H_y；等离子体参数p₁,p₂,p₃初始化为p₁＝0，p₂＝0，PML系数C_1z,C_2z,C₃初始化为C_1z＝1/(1+0.5ε₀s)，C_2z＝1，C₃＝ε₀/μ₀；设置参数具体为：设置带有CFS因子的SC‑PML吸收边界的参数σz,κz,αz：σz＝σzmax|z‑z0|m/dmκz＝1+(κzmax‑1)|z‑z0|m/dmαz＝αzmax式中z0为PML层与非PML截面位置，d是PML吸收边界的厚度；设置PML系数C1z,C2z：C1z＝1/(κzαz+σz+0.5κzε0s)C2z＝(2αz/ε0s+1)设置等离子体参数：步骤3、利用步骤2的参数，更新计算整个计算区域x方向上电场分量系数步骤3.1、将步骤2的参数代入电场分量系数在计算区域的方程，具体为：式中，k表示第k个计算网格；b＝p1p2/(1+p2)；步骤3.2、使用追赶法求解步骤3.1的方程，得到整个计算区域x方向上的电场分量系数步骤4、利用步骤2的参数，更新计算整个计算区域y方向上电场分量系数步骤4.1、将步骤2的参数代入电场分量系数在计算区域的方程，具体为：式中，k表示第k个计算网格；步骤4.2、使用追赶法求解步骤4.1的方程，得到整个计算区域y方向上的电场分量系数步骤5、添加场源到y方向上的磁场分量系数中，并利用步骤3所得x方向上电场分量系数更新计算整个计算区域y方向上的磁场分量系数步骤6、利用步骤4所得y方向上电场分量系数更新计算整个计算区域的x方向上磁场分量系数步骤7、利用步骤3和步骤4所得电场分量系数，更新计算整个计算区域的极化电流密度步骤8、更新计算整个计算区域的电磁场分量系数的辅助变量，其中电磁场分量包括Ex,Ey,Hx,Hy；步骤9、更新计算观测点处的电磁场分量，电磁场分量包括：Ex,Ey,Hx,Hy；步骤10、将q+1赋值给q，并判断拉盖尔多项式的阶数q是否达到预设值，若未达到预设值，则返回步骤3，若达到预设值，则结束。