电磁波激励条件下多尺度异质功能结构中多物理过程耦合建模与高效算法研究

This project aims at developing accurate modeling techniques and efficient algorithms for handling multiphysics processes with mutual coupling in typical multiscale heterogeneous structures in the presence of an electromagnetic excitation, in particular including flexible electronic devices and integrated circuits, flexible MEMS and advanced GaN microwave transceivers. Its main research tasks and targets are outlined as follows. .(1) A series of appropriate multi-parameter mathematical models with coupled constitutive equations will be derived for describing real multiphysics processes taken place in the heterogeneous structures, and the technique of adaptive mesh generation and encryption will also be developed for modeling irregular and thin layer geometries; .(2) Based on multi-level domain decomposition (DDM) strategy, an efficient integration of different algorithms will be performed so as to exploit their advantages comprehensively, where the coupling boundaries among different sub-domains will be treated in some appropriate ways; .(3) By considering multiscale features of the multiphysics processes in time domain, both large time step iteration and time-space adaptive algorithms will be developed so as to achieve high computational efficiency with accuracy maintained at the same time;.(4) One multiphysics software will be built up for supporting massively parallel computing on high-performance computers with hundreds to thousands of processors utilized;. Therefore, we are able to reveal the evolution of multiphysics processes at different scales in the above heterogeneous structures, also including physical mechanisms of their performance degradation, fatigue, and even breakdown. It is believed that this research can provide some key techniques for supporting the development of new flexible electronic devices and circuits, flexible MEMS and high power GaN with high reliability, and the international competitiveness of China in these key areas will be enhanced..

本项目针对电磁波激励条件下新型柔性电子学器件与集成电路、柔性MEMS和先进GaN微波收发组件等多尺度异质功能结构中的典型多物理过程耦合问题，开展一体化精细建模新技术与高效算法研究。首先建立描述真实多物理过程场景的数学物理模型与多参量耦合本构方程，发展不规则及薄层结构的高品质自适应网格生成与加密技术；基于多层区域分解策略，充分发挥不同算法优势，通过区域耦合边界恰当连接，实现不同算法高效集成和计算精度与效率提升；考虑多物理过程的时间多尺度属性，发展大时间步长迭代与时空自适应新算法；开发拥有自主知识产权的多物理过程仿真软件，支撑在数百至数千处理器核高性能计算机上的大规模并行计算；揭示异质功能结构中不同尺度上多物理过程的演变规律，包括结构性能退化、疲劳和失效物理机制；为新型柔性电子学器件及电路、柔性MEMS和高功率GaN收发组件的集成实现提供关键技术手段，提高我国在这些核心领域中的国际竞争力。

多物理过程建模与高效算法研究在雷达和通信等领域中应用十分广泛，研究中的关键问题是如何构建多物理过程间双向耦合、强耦合和非线性耦合方程，实现跨越量子到宏观尺度的多算法集成、算法效率与精度间的平衡和计算结果置信度确认。项目主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义总结如下：.（1）针对纳米薄层和不同类型场效应管、存储器、互连和集成微系统等复杂结构中电磁诱导的多物理过程，提出了多尺度结构的数千万至亿级高品质网格生成、加密与修复技术，开发出网格生成CAD软件。.（2）发展了基于第一性原理和非平衡格林函数的量子多物理集成算法，自洽求解电子-声子输运、电流连续性方程和能量守恒方程，提取出载流子迁移率和热导率等电-热-力过程耦合参数，精确预测了载流子输运过程及其对纳米器件性能的影响。.（3）提出了控制体积（时域）有限元和高阶时域有限差分等不同类型集成算法，其中4类大规模并行算法已集成到2套软件系统中，基于“天河2”超级计算机，完成了6项挑战性算例，部分大规模并行算法效率已达80%，验证了数千万至数亿未知量、高效使用千核CPU的并行计算能力，取得了大规模并行算法精度与效率间的平衡和计算结果的高置信度。.（4）实现的多物理过程高效算法与软件已9次分别授权相关国防单位，用于雷达、通信等系统的强电磁辐射和复杂电磁环境效应模拟验证中，揭示了射频组件和微系统中性能降级与多物理损伤机制，指导它们强电磁综合防护设计。.（5）培养了博士后6名、青年骨干7名、博士生11名和硕士生10名；项目成果已发表论文95篇（国际85篇（SCI/EI）、国内10篇），其中IEEE期刊论文50篇（IEEE T-ED、IEEE T-MTT等）、高影响因子Advanced Materials（IF=25.8）、ACS Energy Letters（IF=16.3）、Nano Energy（IF=15.5）、ACS Nano（IF=13.9）和其它国际学术刊物论文35篇, 发表国际学术会议论文36篇（EI）；分别在Spinger和CRC Press出版国际学术专著中论文3章，科学出版社出版专著1部；申请获批18项软件著作权，获国际学术论文奖3项; 发表论文基金号标注率100%（135/135）。