周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions, PBC)是邊界條件的一種,反映的是如何利用邊界條件替代所選部分(系統(tǒng))受到周邊(環(huán)境)的影響。可以看作是如果去掉周邊環(huán)境,保持該系統(tǒng)不變應該附加的條件,也可以看作是由部分的性質來推廣表達全局的性質。主要用于數(shù)學建模和計算機仿真中,將具有時空周期性的物理問題簡化為單元進行處理。
常見周期性邊界條件
1. 連續(xù)性周期邊界(Continuity),源和目標邊界上的場值相等;
2. 反對稱周期邊界(Antiperiodicity),源和目標邊界上場值符號相反;
3. 弗洛奎特周期性邊界(Floquet periodicity),源和目標邊界上場值相差一個位相因子,位相因子由波矢和邊界相對距離確定。Continuity和Antiperiodicity邊界可以認為是Floquet periodicity邊界在位相分別為0和π情況下的兩個特例。
4. 循環(huán)對稱性邊界(CyclicSymmetry),源和目標邊界上場值相差一個位相因子,位相因子由計算域所對應的扇形角和角向模式數(shù)決定。
計算機仿真中應用周期性邊界條件
微納光學領域內的光子晶體(Photonic 晶體)、表面等離子體激元(Surface Plasmon)列陣結構及超材料(Metamaterial),這幾種結構均由空間上周期性重復的散射體構成,當計算透射率及能帶結構時,常常可采用Floquet周期邊界將結構簡式。
超材料能帶結構計算
作為壓電傳感器件的聲表面波器件(surface Acoustic Wave, SAW)的本征頻率分析,
飛機、輪船、風力發(fā)電機中的渦輪機,或是旋轉電機結構往往具有旋轉對稱性,在進行電磁場或振動模態(tài)分析時,可采用Cyclic Symmerty類型周期性邊界簡化。
分子動力學模擬
分子動力學模擬中周期性邊界條件的引入,主要有兩個目的:在粒子的運動過程中,若有一個或幾個粒子跑出模型,則必有一個或幾個粒子從相反的界面回到模型中,從而保證該模擬系統(tǒng)的粒子數(shù)恒定;計算原子間作用力的時候采取最近鏡像方法,這樣模型中處于邊界處的原子受力就比較全面,從而消除了邊界效應。這種方法在計算機分子動力學模擬中使用非常廣泛。
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