数学物理
[提交于 2012年8月4日
(v1)
,最后修订 2013年6月14日 (此版本, v2)]
标题: 一种二维任意形状泊松方程的新型高效数值解法
标题: A novel efficient numerical solution of Poisson equation for arbitrary shapes in two dimensions
摘要: 我们提出了一种新颖的高效算法,用于求解静电学中的不规则二维区域的泊松方程。 它可以处理狄利克雷、诺伊曼或混合边界问题,在这些问题中填充介质可以是均匀的或非均匀的。 新方法的基本思想是分三步求解:(i) 首先求解方程 $\nabla\cdot\mathbf D=\rho$。 在限制子空间中,散度算子的逆被找到,通过快速直接求解器在 O(N) 操作中得到电通量密度 $\mathbf D$。 所得到的 $\mathbf D$是非唯一的,并且具有不确定的无散成分。 然后通过 $\mathbf E=\mathbf D/\epsilon$得到电场。 但是 $\nabla\times\mathbf E=0$用于静电场;因此, $\mathbf E$是无旋的,并且与无散空间正交。 (ii) 使用正交化过程来净化电场,使其无旋且唯一。 (iii) 然后通过求解$\phi$或在受限子空间中通过类似的快速直接求解器找到梯度算子的逆,从而得到电势$\nabla \phi=-\mathbf E$。处理了狄利克雷和诺伊曼边界条件的情况。最后,通过几个数值例子说明了验证性和效率。通过这些模拟,观察到所提出方法的计算复杂度几乎按 O(N) 缩放,其中 N 是网格的三角形片数。因此,这种新算法是一种可行的快速泊松求解器。
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