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Type: Tese de Doutorado
Title: Aspectos computacionais da formulação variacional ultra fraca aplicada ao eletromagnetismo
Authors: Alfred Gimpel Moreira Pinto
First Advisor: Elson Jose da Silva
First Co-advisor: Marcio Matias Afonso
First Referee: Ursula do Carmo Resende
Second Referee: Werley Gomes Facco
Third Referee: Eduardo Henrique da Rocha Cappoli
metadata.dc.contributor.referee4: Ricardo Luiz da Silva Adriano
Abstract: Os métodos numéricos que utilizam ondas planas nas funções de base para aproximar a solução da equação de Helmholtz têm recebido considerável atenção no eletromagnetismo computacional. Essas abordagens não requerem a exigência tradicional de cerca de dez pontos nodais por comprimento de onda para aproximar soluções oscilatórias. As principais desvantagens desses métodos são: imposição das condições de contorno essenciais, as descontinuidades do domínio e o mal condicionamento do sistema. O uso de ferramentas adicionais como os multiplicadores de Lagrange e os elementos de Mortar podem ser utilizados para incorporar as condições de contorno e descontinuidades do domínio, mas com aumento do custo computacional e do número de condição. Como alternativa, a Formulação Variacional Ultra Fraca utiliza o fluxo numérico upwind do Método de Galerkin Descontínuo. Essa técnica garante a incorporação fraca das condições de contorno essenciais e das condições de transmissão entre meios. Essas características têm despertado grande interesse em diversas aplicações, como na solução da equação de Helmholtz. Nesta tese, investigamos a Formulação Variacional Ultra Fraca para a propagação de ondas eletromagnéticas em malhas uniformes e não-uniformes. Para as malhas uniformes, investigamos o mal condicionamento do sistema global como função dos graus de liberdade, os meios heterogêneos, as funções de base como ondas planas e funções de Bessel e o truncamento do domínio computacional com Camadas Perfeitamente Casadas (PML). Para as malhas não-uniformes, que é a principal contribuição dessa pesquisa, propomos uma nova metodologia para controlar o número de condição e como predeterminar a quantidade máxima de funções de base por elemento em função da máxima aresta. A metodologia proposta é validada com a simulação do espalhamento eletromagnético por um cilindro condutor perfeito revestido por uma camada dielétrica. Além disso, resolvemos um problema eletricamente grande, o espalhamento eletromagnético por um aerofólio condutor perfeito.
Abstract: Numerical methods that use plane waves as basis functions to approximate the solution of the Helmholtz equation have received considerable attention in computational electromagnetics. These approaches do not require the usual ten nodal points per wavelength to approximate oscillatory solutions. The main drawback of these methods are: imposing the essential boundary conditions, the domain discontinuities and ill-conditioning of the system. Although Lagrange multipliers and Mortar elements can be used to incorporate boundary conditions and domain discontinuities, they increase the computational cost and the condition number. Alternatively, the Ultra Weak Variational Formulation uses the numerical upwind flux of the Discontinuous Galerkin Method. This scheme ensures the weak incorporation of the essential boundary conditions and the transmission conditions between medias. These features have arisen great interest in several applications, such as to compute the Helmholtz equation. In this thesis, we investigate the Ultra Weak Variational Formulation for the electromagnetic wave propagation, using uniform and non-uniform meshes. For the uniform meshes, we investigate the ill-conditioning of the global system as function of the degrees of freedom, the heterogeneous medium, the basis functions as plane waves and Bessel functions and the truncation of the domain by means of the Perfectly Matched Layers (PML). For non-uniform meshes, which is the main contribution of this research, we propose a new methodology to control the condition number and how to predetermine the maximum number of basis functions based on maximum edge. The proposed methodology is validated through the simulation of electromagnetic scattering by a perfect conductor cylinder coated by a dielectric layer. Also is solved an electrically large problem as an example, the electromagnetic scattering by a perfect conductor airfoil.
Subject: Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-APGPCH
Issue Date: 17-Mar-2017
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