UN METODO NUMERICO MESHFREE PARTICELLARE NEL DOMINIO DEL TEMPO PER L'ANALISI ELETTROMAGNETICA: SVILUPPO DI APPLICAZIONI 3D Guido Ala1, E. Francomano2, Antonino Spagnuolo1, Fabio Viola1 1 Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e delle Telecomunicazioni 2 Dipartimento di Ingegneria Informatica Università degli studi di Palermo - Viale delle Scienze, 90128 Palermo L’impiego dei calcolatori per la simulazione di problemi elettromagnetici è divenuto uno standard sia in fase di progettazione di prototipi ma anche in fase di verifica delle condizioni di compatibilità elettromagnetica. D’altra parte, la crescente complessità delle simulazioni da effettuare, a causa di geometrie complesse o irregolari, non omogeneità e non linearità, unita alla pressante necessità di ottenere soluzioni in tempi rapidi, ha richiesto la formulazione di metodi numerici alternativi a quelli tradizionalmente impiegati. I metodi computazionali denominati meshfree consentono di ottenere soluzioni numeriche per equazioni integrali e/o differenziali con le opportune condizioni al contorno, utilizzando un insieme di particelle (o nodi) arbitrariamente distribuite. Tra questi, il metodo “Smoothed Particle Hydrodynamics” (SPH) si è rivelato particolarmente versatile. I ricercatori dell’unità hanno implementato una versione modificata del metodo per applicazioni in ambito elettromagnetico, denominata “Smoothed Particle Electromagnetics” (SPEM). L’implementazione del metodo SPEM richiede la creazione di due insiemi di particelle, uno di campo elettrico e l’altro di campo magnetico, la cui distribuzione non necessità di alcuna legge di connettività. La disposizione deve essere tale che ogni particella di campo E sia circondata da un numero opportuno di particelle di campo H e viceversa. Il numero di particelle deve essere sufficientemente grande in modo da permettere la corretta propagazione del fenomeno elettromagnetico, ma non tale da generare oscillazioni spurie. Si riporta, a titolo d’esempio, la formulazione SPEM per la valutazione della componente di campo elettrico Ex nel caso di propagazione nel vuoto: W ri r j , h W ri r j , h t N V j , (1) E xt 1 i E xt i H y j H z j 0 j 1 z y essendo ri e rj i vettori di posizione della particella i e j rispettivamente, h la cosiddetta smoothing length che definisce l’area di influenza della funzione kernel W ed ha un peso rilevante nell’accuratezza della soluzione ed infine ΔVj, il volume associato alla particella jesima. Si nota che la derivata spaziale è stata sostituita da una sommatoria estesa alle particelle vicine alla particella i-esima, pesata mediante la derivata della funzione kernel. Se il dominio di supporto della particella interseca il contorno del dominio del problema in esame o se la distribuzione delle particelle è irregolare, il metodo non mantiene la consistenza ed occorre quindi introdurre delle modifiche alla formulazione, in particolare alla funzione kernel. Inoltre, la convergenza dello schema temporale esplicito richiede il rispetto della condizione di Courant-Friedrichs-Lewy che impone un limite al valore massimo del passo temporale Δt. Tale valore dipende dalla smoothing length (a sua volta dipendente dalla distanza tra le particelle) ed è pari a min( hi / c ) , essendo c la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel mezzo considerato. Il metodo è stato applicato alla simulazione del comportamento elettromagnetico di alcune tipologie di cavità risonanti. Un primo esempio riguarda la simulazione di una cavità di dimensioni 1m x 1m x 0,5m nel quale è presente un’onda elettromagnetica TE10 stazionaria alla frequenza di circa 212 MHz. Per questa rappresentazione si sono impiegate 10927 particelle per il campo elettrico e 10926 per il campo magnetico. Si sono confrontati i risultati ottenuti per i campi H con il metodo SPEM con quelli ottenuti mediante il metodo FDTD (fig.1) Campo Hy [A/m] 2 x 10 -3 SPEM FDTD 1 0 -1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Distanza [m] 0.7 0.8 0.9 Figura 1 – Disposizione delle particelle per la rappresentazione del dominio (a sinistra). Confronto dei risultati con il metodo FDTD (a destra). Un'altra simulazione ha riguardato invece una cavità a forma di “H” nella quale ad un’estremità del piano mediano è posta una sorgente di campo elettrico Ez con forma d’onda di tipo impulso gaussiano per la quale si è rilevata la risposta, sempre in termini di campo elettrico, all’altra estremità. Per realizzare questa configurazione sono state impiegate 9639 particelle E e 9640 particelle H. Sono inoltre state introdotte 2574 particelle “ghost” (non influenti ai fini del comportamento elettromagnetico) allo scopo di rendere stabile la simulazione. Anche in questo caso, il confronto tra il metodo SPEM ed il metodo FDTD ha dato risultati soddisfacenti (fig.2). 0 0.1 0.1 0.5 0.05 z Campo Ez [V/m] 0.02 1 Campo E [V/m] Particelle E Particelle H Ghost 0.04 0 FDTD SPEM 0 -0.05 -0.5 0.05 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 -1 0 0.5 1 1.5 Tempo [s] 2 2.5 -9 x 10 -0.1 0 0.5 1 1.5 Tempo [s] 2 2.5 -9 x 10 Figura 2 – Disposizione delle particelle nel dominio (a sinistra). Si notino le particelle ghost necessarie per la stabilità della simulazione. Andamento temporale della sorgente (al centro). Confronto con il metodo FDTD (a destra). Bibliografia [1] G.R. Liu, Smoothed Particle Hydrodynamics, World Scientific, 2003. [2] M.B. Liu, G.R. Liu, “Restoring particle consistency in smoothed particle Hydrodynamics”, Applied Numerical Mathematics 56, pp 19-36, 2006. [3] G. Ala, F. Viola, E. 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