Электродинамическая интерпретация результатов моделирования динамики электрона методом дискретных элементов

К. М. Зейде

Аннотация


В данной работе рассматривается алгоритм обработки динамических и кинематических данных, формируемых при решении задачи движения отдельной частицы методом дискретных элементов. Работа алгоритма нацелена на получение основных электродинамических параметров системы: временная диаграмма напряженностей электрического и магнитного поля в точке наблюдения, их амплитудный и фазовый спектры. Особенности работы алгоритма и предложенного метода моделирования объясняются на тривиальном примере осциллирующего электрона. Приводится подробное описание алгоритма. Одной из рассматриваемых особенностей является автоматизированный учет инертности частицы, который приводит к характерному рывку (изменение ускорения) частицы при динамическом моделировании, даже при ее равномерном движении. Эта ситуация объясняется тем, что в начальный момент времени частица принимается покоящейся. Другой важной особенностью является резкое прерывание напряженности электрического поля в момент прерывания моделировании; схожая ситуация наблюдается при запуске процедуры симулирования. Этим объясняется тот факт, что даже для покоящейся частицы возвращаемый спектр является непрерывным и периодическим. Учет и анализ этих особенностей является важной частью предложенного алгоритма. Электродинамические параметры системы выражаются через классическое представление для потенциалов Лиенара – Вихерта. Комплексный спектр является результатом работы быстрого преобразования Фурье. Используемое ядро решателя методом дискретных элементов – MercuryDPM, обработка данных осуществляется в системе компьютерной алгебры Maxima. Подробно описывается структура выходного файла решателя для его более детальной обработки и последующего глубокого анализа. Предложенный алгоритм может эффективно применятся в рамках концепции мультифизического и полномасштабного моделирования.


Зейде К. М. Электродинамическая интерпретация результатов моделирования динамики электрона методом дискретных элементов. Ural Radio Engineering Journal. 2020;4(1):33–50. DOI: 10.15826/ urej.2020.4.1.003



Ключевые слова


электрон; метод дискретных элементов; моделирование; динамические характеристики

Полный текст:

PDF

Литература


Zeyde K. M. The application of the discrete element method to study the refractive properties of a liquid flow with powder impurities. Zhurnal Radioelektroniki = Journal of Radio Electronics. 2018;(9). (In Russ.) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.9.4

Baorong C., Zhichao H., Zhaochang Z. Improved discrete element method for linear and nonlinear dynamic analysis of 3-D beam structures. Tsinghua Science and Technology. 1997;2(2):529–535. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6078045

Nakashima H. Discrete element method (DEM) and its possible ap- plication. In: SICE Anual Conference, Sapporo, Japan, Aug. 4–6, 2004, pp. 1104–1107.

Thornton A., Weinhart T., Luding S., Bokhove O., Modeling of particle size segregation: calibration using the discrete particle method. International Journal of Modern Physics C. 2012;23(8):1240014. DOI:10.1142/ S0129183112400141.

Vintizenko I. I., Mityushkina V. Yu. Limit modes of operation of relativistic magnetron microwave generators. Radiotekhnika = Radioengineering.. 2005;(10):74–78. (In Russ.)

Bityukov V. K, Korolev A. N., Kotov A. F. Features of Radiowaves Passage Through Non-Stationary Cold Plasma. Radiotekhnika = Radioen- gineering. 2007;(9):11–13. (In Russ.)

Kolychev S. A., Yarygin A. P. Radiation of Space Basing Plasma Antenna Feed by Magnetic Dipolar. Radiotekhnika = Radioengineering. 2008;(6):102–105. (In Russ.)

Egorov A. V., Martynenko M. A., Prokofiev B. V. Multipact factor discharge in rectangular waveguides for energy output from high-power microwave high-voltage computers. Zhurnal Radioelektroniki = Jour- nal of Radio Electronics. 2015;(6). Available at: http://jre.cplire.ru/mac/ jun15/3/text.html (In Russ.)

Zeyde K. M. MercuryDPM adaptation for electromagnetic microscopic DEM simulation. In: Proceedings of the 2019 9th IEEE-APS Topi- cal Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications, APWC 2019, Granada, Spain, Sept. 9–13, 2019. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.; 2019. DOI: 10.1109/APWC.2019.8870502

Munjiza A. The combined finite-discrete element method. England: John Wiley & Sons; 2004. DOI: 10.1002/0470020180

Zeyde K. M. Optimization of finite element mesh by the a priori parameter of smallness. In: IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Reykjavik, Iceland, Aug. 8–10, 2018. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.; 2018. DOI: 10.1109/NEMO.2018.8503468

Jackson J. D. Classical Electrodynamics. New York, London: John Wiley & Sons, Inc.; 1962.

Kobzev A. P. About the radiation mechanism of a uniformly moving charge. Fizika elementarnykh chastits i atomnogo yadra = Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei. 2014;45(3):1112–1159. Available at: http://www1.jinr.ru/Pepan/2014-v45/v-45-3/06_kobz.pdf (In Russ.)

Demir V., Elsherbeni A. Z. Compute unified device architecture (CUDA) based finite-difference time-domain (FDTD) implementation. ACES Journal. 2010;25(4):303–314. Available at: https://inside.mines. edu/~aelsherb/pdfs/journal_papers/2010/CUDA_Based_FDTD_Implemen- tation.pdf

Lvovich I. Ya., Preobrazhenskiy A. P., Choporov O. N., Kayda- kova K. V. The analysis of the scattering electromagnetic waves with use of parallel computing. In: International Siberian Conference on Con- trol and Communications (SIBCON), Omsk, May 21–23, 2015. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.; 2015. DOI: 10.1109/SIB- CON.2015.7147133

Zeyde K. M. Estimation of optimal space-time sampling in problems of tracking of rotating targets, using MDR provision. Elektromag- nitnye volny i elektronnye sistemy = Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2016;21(5):46–51. (In Russ.)

Woollett E. L. Maxima by example: Ch. 11 Fast Fourier transform tools. August 13, 2009. Available at: https://www.moodle2.tfe.umu.se/pluginfile.php/27372/mod_book/chapter/416/maxima/maxima_intro/wolett_maxima-6.pdf

Fujisawa T. Single-Electron Dynamics. In: Encyclopedia of Nano- science and Nanotechnology. American Scientific Publishers. American Scientific Publishers; 2004. Vol. 9, pp. 885–902.

Ovchinnikov A. A., Erikhman N. S. Calculation of particle mobi- lity at high temperature. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1978;48(6):1118–1122. Available at: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/ dn/e_048_06_1118.pdf


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


URAL RADIO ENGINEERING JOURNAL

2020