UWR-FDTD矿井电磁波数值分析方法

为减小FDTD(Finite-Difference Time-Domain)对计算机内存空间与算力的需求,提高FDTD求解矿井电磁波的计算效率,根据矿井巷道断面小、轴向长的特点,提出了单位窗口循环使用时域有限差分方法(Unit Window Recycling, UWR-FDTD)。该方法沿巷道轴向把待研究的巷道平均划分多个虚拟窗口,虚拟窗口的断面面积与巷道断面面积相同,为一个同虚拟窗口大小相同的单位窗口分配内存空间,所有虚拟窗口循环使用单位窗口的内存空间,执行传统FDTD迭代过程。激励源设在第1个虚拟窗口,根据1个单位窗口电磁波传播时间,确定每个虚拟窗口的迭代次数,按照时间步存储单位窗口内最后一个Yee网格的电磁场分量,作为下一个虚拟窗口的子激励源。每个虚拟窗口在单位窗口内迭代完成后,均存储完成时刻单位窗口的电磁场分量,用于合成整个巷道内的电磁场数值。结果表明:同传统FDTD方法相比,UWR-FDTD方法在一维二维三维计算空间均可减少内存使用量,划分虚拟窗口数目越多,仿真时所需的内存空间越小,在三维空间内提高的计算效率更加显著;在无耗介质、有耗介质计算空间,分别用时谐源和脉冲源作为激励源,在一维二维三维空间内用UWR-FDTD计算出合成电场的周期和幅值,与传统FDTD计算结果一致。UWR-FDTD矿井电磁波仿真时间与巷道断面面积、巷道长度和电磁波频率有关;划分虚拟窗口的长度为待研究巷道长度的1/10~1/6时,计算用时最短,计算效率最高。