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临近空间高超声速飞行器电磁特性的有限元—边界元分析

作　者: 郝汀
导　师: 陈如山
学　校: 南京理工大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 有限元-边界元天线辐射高超声速飞行器通信黑障
分类号: V211
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

高超声速目标的电磁特性分析是目前计算电磁学仿真的热点,飞行器在以声速7倍以上的速度运动时进入高超声速飞行状态。飞行器表面与空气的剧烈摩擦,使得飞行器周围空气温度急剧升高并开始电离,形成了高度不均匀的等离子体壳套。等离子体壳套在某些气动状态下会吸收、反射电磁波,大大影响飞行器原本的电磁散射特性,并影响与地面的通信,造成“通信黑障”。有限元-边界元方法(FE-BI)在计算电磁学数值仿真中有着重要地位,它既继承了有限元方法对任意复杂结构目标的分析能力,又在边界上引入积分方程代替完全匹配层(PML)作为截断边界条件,缩小求解区域,大大节省了计算资源。多层快速多极子的引入,使得边界积分部分的矩阵矢量乘时间得到了非常大的节省,进一步提高了算法的效率。有限元-边界元方法精确而高效,巧妙的融合了有限元、矩量法、多层快速多极子算法的优势,是一种具有强大分析能力的算法。由于有限元-边界元方法对复杂介质优秀的分析能力,它非常适合分析这类等离子体包覆的问题。但在流场区域未知的情况下,有限元-边界元方法通常需要一个足够大的求解区域来保证分析问题的准确性,而在此求解区域中,空气未知量不会对电磁特性分析产生影响,却引入了极大的计算量,大大影响了有限元-边界元方法对此类问题的求解效率。本文首先介绍了有限元-边界元方法的原理和一些等离子体的相关理论。针对空气引入未知量的问题,采取选取介电常数阈值直接舍去近似空气未知量,重新建立积分面的方法,在保证一定精度的前提下大大提升了有限元-边界元方法的分析效率。然后,论述了对于一般天线辐射特性研究的有限元-边界元方法,并利用其对等离子体包覆下天线的辐射问题作了分析。最后,提出了一种“磁窗天线”的设计方案,并验证了其解决“通信黑障”问题的可行性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
1 绪论  8-11
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 研究的现状及意义  9
  1.3 本文的主要工作及内容安排  9-11
2 有限元-边界元方法的基本原理  11-20
  2.1 有限元-边界元基本原理  12-17
    2.1.1 有限元公式  12-13
    2.1.2 边界积分公式  13-15
    2.1.3 ABC预条件  15-16
    2.1.4 并行求解器MUMPS  16-17
  2.2 RCS计算  17-20
3 有限元-边界元方法分析高超声速涂敷目标的电磁散射特性  20-34
  3.1 引言  20
  3.2 非磁化的等离子体的电磁参数提取  20-22
  3.3 高超声速涂敷目标的电磁建模技术  22-24
    3.3.1 涂敷高超目标流场-电磁投影技术  22-24
    3.3.2 涂敷高超目标网格细分技术  24
  3.4 基于积分面重构的未知量缩减技术及电磁散射计算  24-33
    3.4.1 积分面重构技术  25-26
    3.4.2 算例分析及讨论  26-33
  3.5 本章总结  33-34
4 有限元-边界元方法分析等离子体包覆天线的辐射性能  34-56
  4.1 引言  34
  4.2 有限元-边界元方法分析同轴馈源天线辐射方向图  34-42
    4.2.1 同轴线加源方式  34-35
    4.2.2 辐射方向图计算  35-36
    4.2.3 算例分析  36-42
  4.3 有限元-边界元方法分析各向异性媒质天线辐射方向图  42-46
    4.3.1 复杂媒质理论  42-43
    4.3.2 算例分析  43-46
  4.4 有限元-边界元方法分析磁窗天线辐射性能  46-55
    4.4.1 磁化等离子体壳套缓解通信黑障理论  46-47
    4.4.2 磁化等离子体的介电参数提取  47-49
    4.4.3 磁窗天线设计实例  49-55
  4.5 本章总结  55-56
5 总结与展望  56-57
  5.1 全文总结  56
  5.2 后续工作展望  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-61

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