Разработаны эффективные методы моделирования взаимодействия электромагнитных волн с устройствами.


Требуется огромное количество компьютерных симуляций, чтобы создать такое устройство, как МРТ-сканер, которое может отображать ваш мозг, обнаруживая электромагнитные волны, распространяющиеся через ткани. Сложная часть состоит в том, чтобы выяснить, как электромагнитные волны будут реагировать при контакте с материалами в устройстве.

Исследователи SMU разработали алгоритм, который можно использовать в широком спектре областей – от биологии и астрономии до военных приложений и телекоммуникаций – для более эффективного и точного создания оборудования.

В настоящее время на моделирование могут уйти дни или месяцы. А из-за стоимости существует ограничение на количество симуляций, обычно выполняемых для этих устройств. Исследователи из SMU при помощи грантов Исследовательского управления армии США и Национального научного фонда обнаружили способ сделать более быстрый алгоритм для этих симуляций.

«Мы можем сократить время моделирования с одного месяца до одного часа», – сказал ведущий исследователь Вэй Цай, заведующий кафедрой прикладной математики Клементса в SMU. «Мы совершили прорыв в этих алгоритмах».

«Эта работа также поможет создать виртуальную лабораторию для ученых, чтобы моделировать и исследовать солнечные элементы с квантовыми точками, которые могут производить чрезвычайно маленькое, эффективное и легкое солнечное военное оборудование», – сказал д-р Джозеф Майерс, отдел математических наук Управления армейских исследований. начальник.

Доктор Бо Ван, научный сотрудник SMU (Южный методистский университет), и Вэньчжун Чжан, аспирант университета, также внесли свой вклад в это исследование. Исследование было опубликовано сегодня в SIAM Journal on Scientific Computing .

Алгоритм может иметь важное значение в ряде научных областей.

«Электромагнитные волны существуют как излучение энергии зарядов и других квантовых процессов», – пояснил Кай.

К ним относятся радиоволны, микроволны, свет и рентгеновские лучи. Электромагнитные волны также являются причиной того, что вы можете использовать мобильный телефон, чтобы поговорить с кем-то в другом штате, и почему вы можете смотреть телевизор. Короче говоря, они повсюду.

Инженер или математик сможет использовать алгоритм для устройства, задача которого – определять определенную электромагнитную волну. Например, она или он потенциально могут использовать его для разработки солнечной батареи, которая служит дольше и меньше существующих.

«Чтобы разработать батарею небольшого размера, вам необходимо оптимизировать материал, чтобы получить максимальную скорость преобразования энергии света в электричество», – сказал Цай. «Инженер может найти этот максимальный коэффициент конверсии, быстрее проведя моделирование с помощью этого алгоритма».

Или алгоритм может помочь инженеру разработать сейсмический монитор для прогнозирования землетрясений, отслеживая упругие волны в земле, – отметил Кай.

«Это все волны, и наш метод применим к разным видам волн», – сказал он. «Мы разработали широкий спектр приложений».

Компьютерное моделирование показывает, как материалы в таком устройстве, как полупроводниковые материалы, будут взаимодействовать со светом, что, в свою очередь, дает представление о том, что будет делать конкретная волна при контакте с этим устройством.

При производстве многих устройств, использующих световые взаимодействия, используется процесс изготовления путем наложения материала друг на друга в лаборатории, как и в случае с Lego. Это называется многослойной средой. Затем компьютерное моделирование анализирует слоистую среду с использованием математических моделей, чтобы увидеть, как рассматриваемый материал взаимодействует со светом.

Исследователи SMU нашли более эффективный и менее затратный способ решения уравнений Гельмгольца и Максвелла – сложные для решения, но важные инструменты для предсказания поведения волн.

Проблема взаимодействия источника волн и материалов в структуре слоев была очень сложной задачей для математиков и инженеров в течение последних 30 лет.

Профессор Вен Чо Чу из отдела электротехники и компьютерной инженерии Purdue, ведущий мировой эксперт в области вычислительной электромагнетизма, сказал, что проблема «заведомо сложна».

Комментируя работу Цая и его команды, Чу сказал: «Их результаты показывают отличную сходимость с небольшими ошибками. Я надеюсь, что их результаты будут широко приняты».

Новый алгоритм модифицирует математический метод, называемый быстрым мультипольным методом, или FMM, который считался одним из 10 лучших алгоритмов 20-го века.

Чтобы протестировать алгоритм, Цай и другие исследователи использовали ManeFrame II SMU – один из самых быстрых академических суперкомпьютеров в стране – для запуска множества различных симуляций.


Добавить комментарий