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計算電磁學中的超大規模并行矩量法 版權信息
- ISBN：9787560639444
- 條形碼：9787560639444 ; 978-7-5606-3944-4
- 裝幀：暫無
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
計算電磁學中的超大規模并行矩量法 本書特色
近年來，我國在與電磁密切相關的領域取得了一系列重大進展，比如空中預警指揮飛機成功服役等，這些復雜系統工程的實施都離不開對電磁場與電磁波的研究。認知復雜系統電磁特性的手段主要有實驗測量和數值計算。對比而言，電磁場數值計算具有高效、靈活方便等顯著優勢，因此成為設備電磁特性分析與設計的現代化必要手段，也日益發揮著越來越重要的作用。作為電磁場數值分析方法中的經典算法，矩量法具有很高的理論精度，但在處理復雜電大系統電磁問題時，其所需付出的計算存儲資源與計算時間代價非常高，這使得矩量法難以用于復雜系統的電磁計算。針對這個難題，本書研究如何利用大規模并行計算技術實現矩量法對復雜電大系統的精確、高效計算。 本書兼顧矩量法的理論基礎、高性能計算技術與工程應用，圍繞著矩量法處理電磁問題的算子方程、矩陣構建、矩陣方程并行求解、并行矩陣構建策略、核外算法、快速算法、混合方法、異構加速計算技術、工程應用實例等幾個方面，系統地給出了超大規模并行矩量法的關鍵理論、技術以及工程應用。書中高階矩量法結合波端口、單向通信calu算法、cpu/gpu與cpu/mic 異構加速矩量法等方面的內容新穎。特別是在排名世界**的天河二號超級計算機中成功開展的20余萬cpu核規模的矩量法計算，是當前國際上所達到的*大并行矩量法規模。這一工作使得采用矩量法精確分析復雜系統級電磁問題成為了一種可能，具有重要的戰略意義。 本書可作為高等學校工科電子信息、通信、計算機類等相關專業的廣大科技工程人員的參考指導書。
計算電磁學中的超大規模并行矩量法 內容簡介
本書兼顧矩量法的理論基礎、高性能計算技術與工程應用, 圍繞著矩量法處理電磁問題的算子方程、矩陣構建、矩陣方程并行求解、并行矩陣構建策略、核外算法、快速算法、混合方法、異構加速計算技術、工程應用實例等幾個方面, 系統地給出了超大規模并行矩量法的關鍵理論、技術以
計算電磁學中的超大規模并行矩量法 目錄
第1章 矩量法與場積分方程 1 1.1 矩量法簡介 1 1.1.1 矩量法的數學原理 1 1.1.2 矩量法求解算子方程實例 3 1.2 電磁場基本理論 6 1.2.1 麥克斯韋方程組 6 1.2.2 時諧場的復數表示法 7 1.2.3 電流連續性方程 8 1.2.4 媒質本構方程 9 1.2.5 邊界條件 10 1.2.6 矢量波動方程 11 1.2.7 位函數理論 12 1.2.8 玻印廷定理 23 1.2.9 對偶原理 25 1.2.10 唯一性定理 27 1.2.11 洛倫茲互易定理 29 1.2.12 等效原理 30 1.3 面積分方程 32 1.3.1 理想導體表面積分方程 32 1.3.2 兩區域介質表面pmchw積分方程 37 1.3.3 多區域任意復雜結構的積分方程 40 1.4 激勵源 43 1.4.1 平面波 43 1.4.2 電壓源 44 1.4.3 磁流源 44 1.4.4 導波場源 45 1.4.5 激勵源的對稱性 52 1.5 小結 55 參考文獻 55 第2章 rwg基函數矩量法 57 2.1 幾何建模 57 2.2 rwg基函數 58 2.3 電場積分方程的矩量法解 60 2.3.1 矩陣方程構建 60 2.3.2 矩陣元素的積分計算 62 2.3.3 低階奇異積分的解析處理 62 2.4 磁場積分方程的矩量法解 68 2.4.1 矩陣方程構建 68 2.4.2 矩陣元素的積分計算 70 2.4.3 高階奇異積分的解析處理 70 2.5 pmchw積分方程的矩量法解 76 2.5.1 矩陣方程構建 77 2.5.2 矩陣元素的積分計算 78 2.6 efie pmchw方程的矩量法解 79 2.7 數值算例 80 2.7.1 efie與mfie矩量法分析散射問題 80 2.7.2 pmchw矩量法分析散射問題 81 2.7.3 微帶結構的散射 82 2.7.4 efie矩量法分析波端口問題 82 2.8 小結 85 參考文獻 86 第3章 高階基函數矩量法 87 3.1 幾何建模 87 3.1.1 線結構的截錐體建模 87 3.1.2 面結構的雙線性曲面建模 88 3.2 高階基函數 89 3.2.1 細導線上電流的展開 89 3.2.2 雙線性曲面上電流的展開 90 3.3 矩陣方程構建 93 3.3.1 細導線的檢驗過程 93 3.3.2 雙線性曲面的檢驗過程 95 3.4 數值算例 98 3.4.1 平面波激勵 98 3.4.2 矩形波端口激勵 99 3.4.3 圓形波端口激勵 102 3.4.4 同軸激勵 104 3.5 高階基函數矩量法與rwg基函數矩量法的比較 107 3.5.1 微帶貼片陣列 107 3.5.2 x波段波導縫隙天線陣 109 3.5.3 ka波段波導縫隙天線 110 3.6 小結 111 參考文獻 111 第4章 矩陣方程求解 112 4.1 直接解法 112 4.1.1 基于lu分解的矩陣方程求解方法 112 4.1.2 lu分解算法 113 4.1.3 分塊lu分解算法 118 4.1.4 分塊lu分解算法并行實現 124 4.2 線性數學庫 140 4.2.1 線性代數庫簡介 140 4.2.2 openblas和矩陣乘法優化 143 4.3 并行分塊lu分解算法的參數優化 144 4.3.1 分塊大小 144 4.3.2 進程網格 146 4.4 并行分塊lu分解算法性能測試 149 4.4.1 隨機矩陣lu分解性能測試 149 4.4.2 矩量法矩陣lu分解性能測試 151 4.5 迭代解法 157 4.5.1 共軛梯度法 157 4.5.2 廣義*小余量法 158 4.5.3 塊對角預條件 159 4.5.4 基函數鄰居預條件 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 預條件加速rwg基函數mlfma迭代求解 161 4.6.2 預條件加速正弦基函數矩量法矩陣方程求解 163 4.6.3 預條件加速屋頂基函數矩量法矩陣方程求解 167 4.7 小結 169 參考文獻 169 第5章 超大規模并行矩量法 172 5.1 并行矩量法矩陣填充 172 5.1.1 rwg基函數矩量法的并行矩陣填充 172 5.1.2 高階基函數矩量法的并行矩陣填充 182 5.2 并行矩量法性能評估 183 5.2.1 并行rwg基函數矩量法的性能評估 183 5.2.2 并行高階基函數矩量法的性能評估 187 5.3 數值算例 204 5.3.1 波導縫隙天線陣列輻射特性 204 5.3.2 微帶天線陣列輻射特性 205 5.3.3 機載八木天線陣列的輻射特性 207 5.3.4 機載微帶天線陣列的輻射特性 210 5.4 小結 223 參考文獻 223 第6章 并行核外高階基函數矩量法 224 6.1 并行核外算法的矩陣分布 224 6.2 并行核外高階基函數矩量法矩陣填充方案 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分解算法設計 230 6.3.3 核外one-slab left-looking lu分解算法設計 233 6.4 并行核外lu分解算法的程序實現 236 6.5 基于核外lu分解的矩陣方程求解方法 238 6.6 并行核外lu分解算法的參數優化 240 6.7 性能監測 242 6.8 數值算例 247 6.8.1 飛機的散射特性 247 6.8.2 波導縫隙陣天線的輻射特性 250 6.8.3 微帶陣列天線的輻射特性 251 6.8.4 機載傘形印刷振子天線陣列的輻射特性 252 6.9 小結 255 參考文獻 256 第7章 基于rwg基函數矩量法的并行多層快速多極子 257 7.1 自由空間多層快速多極子方法 257 7.1.1 自由空間格林函數的加法定理和平面波展開理論 258 7.1.2 自由空間快速多極子方法 259 7.1.3 自由空間多層快速多極子方法 261 7.2 半空間多層快速多極子方法 263 7.2.1 半空間混合場積分方程 264 7.2.2 半空間mlfma近相互作用 266 7.2.3 半空間mlfma遠相互作用 267 7.2.4 半空間mlfma的矩陣向量乘積 270 7.3 并行半空間多層快速多極子方法 272 7.3.1 矩陣向量乘積的數據分配方案 272 7.3.2 半空間mlfma的自適應劃分策略 272 7.4 并行性能測試 276 7.4.1 精度驗證 277 7.4.2 并行效率測試 278 7.5 工程應用 282 7.5.1 波音737飛機rcs 282 7.5.2 某型飛機rcs 284 7.5.3 某大型飛機rcs 287 7.5.4 地面上坦克rcs 288 7.5.5 地面上汽車rcs 290 7.5.6 海面上艦載天線電磁輻射特性 292 7.6 小結 293 參考文獻 293 第8章 基于矩量法的并行混合算法 295 8.1 并行矩量法的區域分解方法 295 8.1.1 區域分解算法的基本原理 295 8.1.2 算法精度驗證 299 8.1.3 數值算例 304 8.2 并行高階基函數矩量法與多層快速多極子混合算法 313 8.2.1 混合算法的基本原理 314 8.2.2 算法精度驗證 315 8.2.3 數值算例 319 8.3 小結 333 參考文獻 333 第9章 并行高階基函數矩量法的工程應用 335 9.1 電磁輻射特性計算 335 9.1.1 機載微帶天線陣列 335 9.1.2 波導縫隙天線陣列 338 9.1.3 民航客機周圍近場 341 9.1.4 海事衛星天線 344 9.1.5 基站天線與室內電磁輻射評估 347 9.1.6 車廂內wifi天線 355 9.2 電磁散射特性計算 356 9.2.1 箔條云 356 9.2.2 飛機發動機 357 9.2.3 無人機 358 9.3 旋轉葉片調制效應計算 361 9.3.1 旋翼對散射場的調制 361 9.3.2 螺旋槳對輻射場的調制 362 9.4 小結 364 參考文獻 364 第10章 異構平臺中的并行矩量法 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 程序熱點分析 367 10.1.3 異構協同計算的難點 369 10.2 cpu/gpu異構并行矩量法 369 10.2.1 國內外研究現狀 369 10.2.2 基本并行框架設計 370 10.2.3 程序熱點加速 373 10.2.4 性能測試與應用算例 376 10.3 cpu/gpu異構并行兩級核外矩量法 386 10.3.1 算法基本原理 386 10.3.2 gpu與cpu任務分配比例優化 389 10.3.3 數值算例 390 10.4 cpu/mic異構并行矩量法 392 10.4.1 基本并行框架設計 392 10.4.2 程序熱點加速 394 10.4.3 mic與cpu任務分配比例優化 399 10.4.4 數值算例 399 10.5 cpu/gpu與cpu/mic的性能比較 405 10.6 大規模cpu/mic異構并行矩量法 407 10.7 小結 411 參考文獻 411 附錄a 高斯數值積分 413 a.1 一維高斯積分 413 a.2 二維高斯積分 414 參考文獻 416 附錄b 并行計算基礎 417 b.1 硬件平臺 417 b.1.1 計算機集群 417 b.1.2 本書使用的計算平臺 418 b.2 并行編程環境 421 b.3 并行算法 422 b.4 并行計算性能評測與優化 423 b.5 mpi編程示例 424 b.6 軟件安裝與設置 427 參考文獻 430 附錄c 細線天線的矩量法分析 432 c.1 積分方程的構建 432 c.2 積分方程的離散 433 c.3 選配過程 435 c.4 矩陣元素的計算 436 c.5 輻射遠場的計算 438 c.6 矩陣填充算法 439 c.7 并行程序流程 440 c.8 并行程序實例 442 c.9 程序編譯與運行 465 參考文獻 467
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