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現在位置: ホーム ja シラバス(2020年度) 工学研究科 電気工学専攻 電磁界シミュレーション

電磁界シミュレーション

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科目ナンバリング
  • G-ENG10 5C611 LE72
開講年度・開講期 2020・前期
単位数 2 単位
授業形態 講義
配当学年 修士1回生
対象学生 大学院生
使用言語 英語
曜時限 火5
教員
  • 大村 善治(生存圏研究所 教授)
  • 海老原 祐輔(生存圏研究所 准教授)
授業の概要・目的 電磁界解析の有効な手法として近年脚光を浴びているFDTD (Finite-Difference Time-Domain)法に加え、電磁界とプラズマ粒子の相互作用をセルフコンシステントに解き進めるPIC (Particle-In-Cell)法と移流方程式の数値解法について解説し、演習としてプログラミングのレポート課題を与え、そのプログラミングの結果を発表させる。
到達目標 プラズマ中の電磁現象や粒子ダイナミックスを再現する計算機シミュレーションコードを自作し、それを実行した結果をまとめて英語で発表し、質疑応答を繰り返す中から、電磁波動現象に対する物理的理解を深めると同時に、英語によるコミュニケーションを体験し、独自に行った解析結果をまとめて、最終レポートを完成させる。
授業計画と内容 Variables and Classification of Simulation Codes(1回)
Definitions of Eulerian variables and Lagrangian variables are explained with reference to description of the system consisting of electromagnetic fields and particles. Classification of various simulation codes is also given.

Finite Difference Methods(1回)

Difference Form of Maxwell's Equation and Grid Assignment / Time Step Chart(1回)
Difference forms of Maxwell's equations are derived with assignments of electromagnetic fields on full and half grids in 1D and 2D systems.

Courant Condition(1回)
By applying Discrete Fourier Transform to Maxwell's equations, we derive the Courant condition for the stability of the numerical integration in time, i.e. the FDTD mechod.

Electromagnetic Radiation from a Thin Current(1回)
As a test of the FDTD method, we put a line current oscillating with a constant frequency, and study electromagnetic radiation from it.

Buneman-Boris Method for Equation of Motion (Relativistic Eqs.)(1回)
As a method to solve equations of motion with strict conservation of kinetic energy, we study the Buneman-Boris method.

Interporation of Electromagnetic Field(1回)
We study a simple linear interpolation scheme for electromagnetic fields acting on particles from the values defined on the grid.

Computatin of Charge and Current Densities, Self-force Cancellation(1回)
We describe the methods to calculate charge density and current density from positions and velocities of particles.

Initilization of Particles and Fields(1回)

Renormalization and Diagnostics(1回)

Advection/Wave Equation for 1D Case (FTCS, Lax, Upwind and Lax-Wendroff Methods)(1回)

von Neumann Stability Analysis(1回)

Limiter Function(1回)

Advection/Wave Equation for Multi-Dimensional Case(1回)

Vlasov Equation(1回)
成績評価の方法・観点 出席点+レポート点+発表点
履修要件 電磁気学・ベクトル解析・プログラミング言語
授業外学習(予習・復習)等 必要に応じて指示する
参考書等
  • (1) H. Matsumoto and Y. Omura, Computer Space Plasma Physics: Simulation Techniques and Softwares, Terra Scientific, Tokyo, 1993. (2) H. Usui and Y. Omura, Advanced Methods for Space Simulations, Terra Pub, 2007.