Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5125
Main Title: Cylindrical and nonconformal material interfaces in the finite integration technique
Translated Title: Zylindrische und nichtkonforme Materialgrenzen in der Methode der Finiten Integration
Author(s): Kirsch, Stefan
Advisor(s): Schuhmann, Rolf
Referee(s): Rienen, Ursula van
Heinrich, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The present work addresses a fundamental issue of electromagnetic simulations by means of the Finite Integration Technique (FIT). This method is typically applied to Cartesian and, therefore, geometrically inflexible computational meshes. In order to achieve a high level of accuracy in a reasonable amount of time, the FIT commonly requires the simulated object's material interfaces to conform in a certain way to the mesh facets. Since this narrows its scope of application, we discuss two systematically different possibilities to transfer the expected accuracy from the conformal Cartesian case to other areas. On one hand, we abandon the Cartesian mesh in favor of a cylindrical one, which naturally conforms to many circularly shaped objects. In this regard, our main objective is the investigation and compensation of time domain methods' limitations that arise specifically due to inherent properties of the cylindrical mesh system. On the other hand, we present a generalized theoretical framework to enable highly accurate material modeling even in the event of nonconformal interfaces. Different means of applying it to practical simulations are proposed. Each introduced method is validated by means of numerical examples. Furthermore, a set of practice-oriented applications allows for comparing them to commercial simulation software and stresses their effectiveness.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Behandlung eines grundlegenden Problems elektromagnetischer Feldsimulation auf Basis der Methode der Finiten Integration. Diese Methode wird üblicherweise auf kartesischen, und daher aus geometrischer Sicht unflexiblen, Rechengittern angewendet. Für ein hohes Maß an Genauigkeit in Verbindung mit moderatem Rechenaufwand wird in der Regel vorausgesetzt, dass die Grenzschichten zwischen verschiedenen Materialien in gewisser Weise konform mit Gitterflächen sind. Da dies die Anwendbarkeit des Verfahrens in der Praxis stark einschränken kann, werden im Verlauf der Arbeit zwei systematisch verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, mit deren Hilfe sich die zu erwartende Genauigkeit des konformen, kartesischen Falls auf andere Bereiche übertragen lässt. Zum einen wird die Abkehr von kartesischen zu Gunsten zylindrischer Gitter untersucht, die sich auf natürliche Weise zu einer Reihe von kreisförmigen Objekten konform verhalten. In dieser Hinsicht gilt das Hauptaugenmerk der Untersuchung und dem Ausgleich sich durch inhärente Eigenschaften des Zylindergitters ergebender Einschränkungen für Zeitbereichsverfahren. Zum anderen wird ein verallgemeinertes theoretisches Konzept eingeführt, in dessen Rahmen eine sehr genaue Abbildung nichtkonformer Materialgrenzen auf das Rechengitter möglich ist. Darauf aufbauend sind verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung dieses Konzepts in Simulationen gegeben. Jede im Laufe der Arbeit vorgestellte Methode wird anhand numerischer Rechenbeispiele validiert. Darüber hinaus heben durch Praxisanwendungen motivierte Beispiele die Effektivität der Verfahren hervor, insbesondere durch den Vergleich zu kommerzieller Simulationssoftware.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5454
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5125
Exam Date: 8-Apr-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 11-May-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): finite integration technique
material discretization
electromagnetic simulation
Methode der Finiten Integration
Materialdiskretisierung
elektromagnetische Simulation
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Notes: zugleich gedruckt erschienen unter ISBN 978-3-7418-0581-3
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