电磁仿真的最小单元数(网格大小)

计算科学 参考请求 网格生成 电磁学
2021-12-07 22:08:11

有人对给出数学或数值解释的电磁模拟的最小元素数量(或最大网格尺寸)有参考吗?

我找到了几个建议,但可惜没有理由:

  • 例如,这里推荐每个波长至少有 5 个二阶元素。
  • 在 Christopolous 的“电磁兼容性原理和技术”的第 190 页上,建议每个波长至少使用 10 个元素。
  • 在 Özgün 和 Kuzouglu 的“电磁建模中基于 MATLAB 的有限元编程”的第 269 页上,建议每个波长至少使用 20 个元素。
  • 在 Paul 的“数字和模拟电子系统中的传输线”的第 10 页上,它说如果传输线短于波长/10,则传输线很短,因为波“仅”具有 36° 的相移(这似乎是对我来说很多!)
2个回答

麦克斯韦系统本质上是一个波动方程,因此您的 ansatz(您寻求解决方案的空间,您的网格和基函数的组合)必须能够忠实地表示波。奈奎斯特标准为网格的“采样率”设置了一个绝对下限:每个波长两个点。在实践中,您必须大幅上采样才能获得真正“看起来”像波浪的解决方案。下图显示了相同的波形,其中λ/4,λ/5,λ/8λ/12采样:

一些波浪。

您的插值“看起来”像波浪的要求缺乏数学严谨性,但您当然可以从相同的基本思想开发定量标准。例如,将插值与精确正弦波之间的 L2 误差积分。或者可能导出你的 ansatz 的离散色散关系,并使用它来限制每个波长将累积多少相位误差。

请记住,“拇指规则”(λ/20采样或其他)取决于方法和问题,特别是 FDTD 似乎需要大量采样,因为它只是搭配(而不是加权或整合误差)。高阶方法(例如分段二次而不是分段线性样条)可以容忍更大的单元尺寸。这在一定程度上被抵消了,因为现在每个元素都有更多的自由度/与之相关的更多工作,但您通常会领先。

当然,您可以深入了解更多关于错误控制的主题(如何模拟奇点等非波解决方案,“污染错误”如何进入画面,仅举两个大人物)。但是这个想法(“解决浪潮”)是一个好的开始,可以带你走很远。

听起来您对有限元分析感兴趣,这超出了我的专业领域。但我希望可以从有限差分方法的角度提供一些见解,这可能仍然与您的问题有一定的相关性(因为它也用于求解波动方程)。

一般来说,一个好的经验法则是,如果不考虑问题的自然长度/时间尺度,特定网格尺寸/间距的规范在很大程度上是没有意义的。例如,在有限差分计算中,您通常希望进化一段时间TΔt并使用网格大小LΔx, 在哪里ΔtΔx分别是您的时间步长和网格间距。对于低阶有限差分近似尤其如此。

@rchilton1980 在他们的回答中已经暗示了这个想法:您需要选择具有足够网格点的网格,以便能够充分解决波浪。在这种情况下,相关的长度尺度可能是波长,而间距应该比这小得多。

当然,通常应该使用不同的网格间距进行收敛测试,以确认您确实收敛到连续解决方案;毕竟,你真正追求的是连续统一的行为。这将是您是否使用了足够的网格点的唯一真正测试。