面向“全局变量”的电磁装置多物理场耦合计算及优化设计方法研究

The aim of this project is to establish a “global variable”-oriented computational method for handling multiphysics problems in electromagnetic devices. By ultilizing factorial experiment, and studing mesh refinement techniques and node position adjustment strategies, we propose a highly efficient adptive mesh generation method, which is suitable for multiphysics applications. In order to handle the system equations of multiphysics problems, which are strongly nonlinear, large scale and ill-conditioned, we propose high efficient computational methods for solving coupled models in multiphysics, by means of studing and tailoring the linearization methods, order reduction methods and preconditioning techniques. The project also analyzes the differences of time scales for different physics, and carries out transient simulation for electromagnetic devices, by dint of field-segregation based hybrid explicit/implicit algorithm. In addition, we apply the global-variable-based performance parameters calculation to design and optimize electromagnetic apparatuses. The conventional iteratively solving differential equations based on “field variables” is no longer the only way when handling coupled multiphysics problems; and this study offers a new research idea to solve algebraic equations in virtue of “global variables”-oriented simulation, which helps to improve the computational capability. Although the project is based on the engineering background of electromagnetic devices, viz.,electromagnetic-temperature-flow field coupling problems, the findings can also be tailored to other engineering and academic problems involving analysis and simulation of multiphysics fields.

本项目旨在建立一种面向“全局变量”的电磁装置多物理场耦合计算方法。项目通过误差析因实验分析，研究网格加密和节点位置调节策略，提出适用于多物理场的高效自适应网格生成方法。针对多物理场方程组具有的非线性程度高、系数矩阵规模大和性态差等特点，综合研究与应用线性化方法、模型降阶方法和预处理技术，提出求解多场耦合模型的高效算法。本项目分析不同物理场在时间尺度上的差异，研究基于场分离的显-隐式混合算法，对电磁装置进行瞬态仿真。采用基于全局变量的性能参数计算方法，研究电磁装置的优化与设计。该研究改变了目前基于“场变量”计算方法的微分方程迭代求解方式，提供面向“全局变量”的代数方程联立求解这一新的研究思路，有助于提高处理多物理场耦合计算问题的能力。本项目以电磁装置中的电磁场-温度场-流场耦合计算问题为工程背景，研究成果同样适用于其他涉及多物理场分析计算的工程与学术问题。

本项目旨在建立一种面向“全局变量”的电磁装置多物理场耦合计算方法。项目通过对不同物理场进行分析和类比，发现了空间离散、拓扑方程构造及本构关系描述的普适性规律，建立了适用于不同物理场的通用计算方法。采用补丁恢复技术减小了本构方程的离散误差，提出了基于粗网格的高精度数值计算方法。针对多物理场方程组具有的非线性程度高、系数矩阵规模大和性态差等特点，综合研究与应用线性化方法、模型降阶方法和预处理技术，提出求解多场耦合模型的混合间接和直接耦合方法。本项目分析不同物理场在时间尺度上的差异，提出了混合有限差分-Krylov指数时间积分方法，对电磁装置进行瞬态仿真。采用基于全局变量的性能参数计算方法，研究柔性中频感应加热系统的多目标优化与设计。该研究改变了目前基于“场变量”计算方法的微分方程迭代求解方式，提供面向“全局变量”的代数方程联立求解这一新的研究思路，有助于提高处理多物理场耦合计算问题的能力。本项目以电磁装置中的电-磁-热-力耦合计算问题为工程背景，研究成果同样适用于其他涉及多物理场分析计算的工程与学术问题。