计算电磁学中的超大规模并行矩量法

第1章  矩量法与场积分方程                1   1.1  矩量法简介                1     1.1.1  矩量法的数学原理                1     1.1.2  矩量法求解算子方程实例                3   1.2  电磁场基本理论                6     1.2.1  麦克斯韦方程组                6     1.2.2  时谐场的复数表示法                7     1.2.3  电流连续性方程                8     1.2.4  媒质本构方程                9     1.2.5  边界条件                10     1.2.6  矢量波动方程                11     1.2.7  位函数理论                12     1.2.8  玻印廷定理                23     1.2.9  对偶原理                25     1.2.10  唯一性定理                27     1.2.11  洛伦兹互易定理                29     1.2.12  等效原理                30   1.3  面积分方程                32     1.3.1  理想导体表面积分方程                32     1.3.2  两区域介质表面pmchw积分方程                37     1.3.3  多区域任意复杂结构的积分方程                40   1.4  激励源                43     1.4.1  平面波                43     1.4.2  电压源                44     1.4.3  磁流源                44     1.4.4  导波场源                45     1.4.5  激励源的对称性                52   1.5  小结                55   参考文献                55 第2章  rwg基函数矩量法                57   2.1  几何建模                57   2.2  rwg基函数                58   2.3  电场积分方程的矩量法解                60     2.3.1  矩阵方程构建                60     2.3.2  矩阵元素的积分计算                62     2.3.3  低阶奇异积分的解析处理                62   2.4  磁场积分方程的矩量法解                68     2.4.1  矩阵方程构建                68     2.4.2  矩阵元素的积分计算                70     2.4.3  高阶奇异积分的解析处理                70   2.5  pmchw积分方程的矩量法解                76     2.5.1  矩阵方程构建                77     2.5.2  矩阵元素的积分计算                78   2.6  efie pmchw方程的矩量法解                79   2.7  数值算例                80     2.7.1  efie与mfie矩量法分析散射问题                80     2.7.2  pmchw矩量法分析散射问题                81     2.7.3  微带结构的散射                82     2.7.4  efie矩量法分析波端口问题                82   2.8  小结                85   参考文献                86 第3章  高阶基函数矩量法                87   3.1  几何建模                87     3.1.1  线结构的截锥体建模                87     3.1.2  面结构的双线性曲面建模                88   3.2  高阶基函数                89     3.2.1  细导线上电流的展开                89     3.2.2  双线性曲面上电流的展开                90   3.3  矩阵方程构建                93     3.3.1  细导线的检验过程                93     3.3.2  双线性曲面的检验过程                95   3.4  数值算例                98     3.4.1  平面波激励                98     3.4.2  矩形波端口激励                99     3.4.3  圆形波端口激励                102     3.4.4  同轴激励                104   3.5  高阶基函数矩量法与rwg基函数矩量法的比较                107     3.5.1  微带贴片阵列                107     3.5.2  x波段波导缝隙天线阵                109     3.5.3  ka波段波导缝隙天线                110   3.6  小结                111   参考文献                111 第4章  矩阵方程求解                112   4.1  直接解法                112     4.1.1  基于lu分解的矩阵方程求解方法                112     4.1.2  lu分解算法                113     4.1.3  分块lu分解算法                118     4.1.4  分块lu分解算法并行实现                124   4.2  线性数学库                140     4.2.1  线性代数库简介                140     4.2.2  openblas和矩阵乘法优化                143   4.3  并行分块lu分解算法的参数优化                144     4.3.1  分块大小                144     4.3.2  进程网格                146   4.4  并行分块lu分解算法性能测试                149     4.4.1  随机矩阵lu分解性能测试                149     4.4.2  矩量法矩阵lu分解性能测试                151   4.5  迭代解法                157     4.5.1  共轭梯度法                157     4.5.2  广义*小余量法                158     4.5.3  块对角预条件                159     4.5.4  基函数邻居预条件                160     4.5.5  并行迭代解法                161   4.6  迭代求解器性能分析                161     4.6.1  预条件加速rwg基函数mlfma迭代求解                161     4.6.2  预条件加速正弦基函数矩量法矩阵方程求解                163     4.6.3  预条件加速屋顶基函数矩量法矩阵方程求解                167   4.7  小结                169   参考文献                169 第5章  超大规模并行矩量法                172   5.1  并行矩量法矩阵填充                172     5.1.1  rwg基函数矩量法的并行矩阵填充                172     5.1.2  高阶基函数矩量法的并行矩阵填充                182   5.2  并行矩量法性能评估                183     5.2.1  并行rwg基函数矩量法的性能评估                183     5.2.2  并行高阶基函数矩量法的性能评估                187   5.3  数值算例                204     5.3.1  波导缝隙天线阵列辐射特性                204     5.3.2  微带天线阵列辐射特性                205     5.3.3  机载八木天线阵列的辐射特性                207     5.3.4  机载微带天线阵列的辐射特性                210   5.4  小结                223   参考文献                223 第6章  并行核外高阶基函数矩量法                224   6.1  并行核外算法的矩阵分布                224   6.2  并行核外高阶基函数矩量法矩阵填充方案                225   6.3  核外lu分解算法                226     6.3.1  核外lu分解算法的i/o分析                226     6.3.2  核外left-looking lu分解算法设计                230     6.3.3  核外one-slab left-looking lu分解算法设计                233   6.4  并行核外lu分解算法的程序实现                236   6.5  基于核外lu分解的矩阵方程求解方法                238   6.6  并行核外lu分解算法的参数优化                240   6.7  性能监测                242   6.8  数值算例                247     6.8.1  飞机的散射特性                247     6.8.2  波导缝隙阵天线的辐射特性                250     6.8.3  微带阵列天线的辐射特性                251     6.8.4  机载伞形印刷振子天线阵列的辐射特性                252   6.9  小结                255   参考文献                256 第7章  基于rwg基函数矩量法的并行多层快速多极子                257   7.1  自由空间多层快速多极子方法                257     7.1.1  自由空间格林函数的加法定理和平面波展开理论                258     7.1.2  自由空间快速多极子方法                259     7.1.3  自由空间多层快速多极子方法                261   7.2  半空间多层快速多极子方法                263     7.2.1  半空间混合场积分方程                264     7.2.2  半空间mlfma近相互作用                266     7.2.3  半空间mlfma远相互作用                267     7.2.4  半空间mlfma的矩阵向量乘积                270   7.3  并行半空间多层快速多极子方法                272     7.3.1  矩阵向量乘积的数据分配方案                272     7.3.2  半空间mlfma的自适应划分策略                272   7.4  并行性能测试                276     7.4.1  精度验证                277     7.4.2  并行效率测试                278   7.5  工程应用                282     7.5.1  波音737飞机rcs                282     7.5.2  某型飞机rcs                284     7.5.3  某大型飞机rcs                287     7.5.4  地面上坦克rcs                288     7.5.5  地面上汽车rcs                290     7.5.6  海面上舰载天线电磁辐射特性                292   7.6  小结                293   参考文献                293 第8章  基于矩量法的并行混合算法                295   8.1  并行矩量法的区域分解方法                295     8.1.1  区域分解算法的基本原理                295     8.1.2  算法精度验证                299     8.1.3  数值算例                304   8.2  并行高阶基函数矩量法与多层快速多极子混合算法                313     8.2.1  混合算法的基本原理                314     8.2.2  算法精度验证                315     8.2.3  数值算例                319   8.3  小结                333   参考文献                333 第9章  并行高阶基函数矩量法的工程应用                335   9.1  电磁辐射特性计算                335     9.1.1  机载微带天线阵列                335     9.1.2  波导缝隙天线阵列                338     9.1.3  民航客机周围近场                341     9.1.4  海事卫星天线                344     9.1.5  基站天线与室内电磁辐射评估                347     9.1.6  车厢内wifi天线                355   9.2  电磁散射特性计算                356     9.2.1  箔条云                356     9.2.2  飞机发动机                357     9.2.3  无人机                358   9.3  旋转叶片调制效应计算                361     9.3.1  旋翼对散射场的调制                361     9.3.2  螺旋桨对辐射场的调制                362   9.4  小结                364   参考文献                364 第10章  异构平台中的并行矩量法                365   10.1  并行矩量法特征分析                365     10.1.1  并行框架分析                365     10.1.2  程序热点分析                367     10.1.3  异构协同计算的难点                369   10.2  cpu/gpu异构并行矩量法                369     10.2.1  国内外研究现状                369     10.2.2  基本并行框架设计                370     10.2.3  程序热点加速                373     10.2.4  性能测试与应用算例                376   10.3  cpu/gpu异构并行两级核外矩量法                386     10.3.1  算法基本原理                386     10.3.2  gpu与cpu任务分配比例优化                389     10.3.3  数值算例                390   10.4  cpu/mic异构并行矩量法                392     10.4.1  基本并行框架设计                392     10.4.2  程序热点加速                394     10.4.3  mic与cpu任务分配比例优化                399     10.4.4  数值算例                399   10.5  cpu/gpu与cpu/mic的性能比较                405   10.6  大规模cpu/mic异构并行矩量法                407   10.7  小结                411   参考文献                411 附录a  高斯数值积分                413   a.1  一维高斯积分                413   a.2  二维高斯积分                414   参考文献                416 附录b  并行计算基础                417   b.1  硬件平台                417     b.1.1  计算机集群                417     b.1.2  本书使用的计算平台                418   b.2  并行编程环境                421   b.3  并行算法                422   b.4  并行计算性能评测与优化                423   b.5  mpi编程示例                424   b.6  软件安装与设置                427   参考文献                430 附录c  细线天线的矩量法分析                432   c.1  积分方程的构建                432   c.2  积分方程的离散                433   c.3  选配过程                435   c.4  矩阵元素的计算                436   c.5  辐射远场的计算                438   c.6  矩阵填充算法                439   c.7  并行程序流程                440   c.8  并行程序实例                442   c.9  程序编译与运行                465   参考文献                467