Electromagnetic field computations for multi-physics phenomena: new techniques for emerging applications

多物理现象的电磁场计算:新兴应用的新技术

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2018-04650
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.66万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2020-01-01 至 2021-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Many of the current advances in natural sciences and engineering evolve on and across rather than within conventional disciplinary boundaries. Electromagnetic field computations are now being employed in areas such as wireless bio-electronics, neuro-modulation, biomedical imaging and hyperthermia, in parallel with computations of associated thermal, mechanical and even biological interactions. Yet, the current approach to multiphysics modeling largely relies on interfacing independently developed solvers. Fundamental questions of numerical accuracy, stability and efficiency, thoroughly but separately addressed over the years for computational methods in electromagnetics, acoustics, thermodynamics, mechanics, quantum mechanics and chemistry, have received little attention in the process of integrating them in multiphysics packages. While the state-of-the-art in multiphysics modeling remains almost stationary and inherently fragmented, new and exciting multiphysics phenomena involving electromagnetic fields and light are actively explored, such as the use of opto-mechanical coupling for the design of non-reciprocal devices without magnetic materials (Miri et al, PRL, June 2017) and meta-surface based wireless links to biomedical implants (Ho et al, Phys. Rev. B, 2015). The applicant's group has also explored the multiphysics optimization of microwave ablation antennas (Sharma and Sarris, J. Appl. Phys., Feb. 2017) and wireless power transfer inspired hyperthermia applicators (Lang and Sarris, J. Appl. Phys., Aug. 2017), whereby electromagnetic devices are directly designed and optimized with respect to the desired temperature distribution in and around a biological tissue. The proposed program is a comprehensive effort to address this evident lack of synchronization between current numerical modeling techniques and the envisioned or experimentally explored multiphysics applications of electromagnetic fields. Joint optimization of numerical electromagnetics techniques, of the finite-difference and the discontinuous Galerkin time-domain type, and their counterparts for thermal, mechanical and quantum effects will be pursued to maximize their accuracy per computational resources used. Machine intelligence driven models of multiphysics interactions will be explored, along with efficient methods for space-time multiscale modeling, multiphysics uncertainty quantification and optimization under uncertainty. These advances will enable the systematic exploration of new and emerging communication, sensing, bio-engineering and computational technologies that are flourishing in Canada, directly benefiting the Canadian economy. Exciting opportunities for well-rounded, interdisciplinary training of highly qualified personnel will thus be created.
目前自然科学和工程学的许多进展都是在传统的学科界限内发展的。电磁场计算现在被用于无线生物电子学、神经调制、生物医学成像和热疗等领域,同时还用于相关的热、机械甚至生物相互作用的计算。然而,目前的多物理场建模方法在很大程度上依赖于独立开发的求解器。在电磁学、声学、热力学、力学、量子力学和化学的计算方法中,数值精度、稳定性和效率的基本问题多年来得到了彻底但单独的解决,但在将它们集成到多物理场包中的过程中却很少受到关注。 虽然多物理场建模的最新技术仍然几乎是静止的,并且本质上是支离破碎的,但涉及电磁场和光的新的和令人兴奋的多物理场现象正在积极探索,例如使用光-机械耦合来设计不含磁性材料的非互易器件(Miri等人,PRL,2017年6月)和基于超表面的生物医学植入物无线链接(Ho等人,Phys. Rev. B,2015)。申请人的小组还探索了微波消融天线的多物理场优化(Sharma和Sarris,J. Appl. Phys.,2017年2月)和无线功率传输启发的热疗施加器(Lang和Sarris,J. Appl. Phys.,2017年8月),从而电磁装置直接设计和优化的生物组织中和周围的所需的温度分布。 拟议的计划是一个全面的努力,以解决目前的数值模拟技术和设想或实验探索的电磁场的多物理场应用之间明显缺乏同步。联合优化的数值电磁学技术,有限差分和不连续Galerkin时域类型,其对应的热,机械和量子效应将追求最大限度地提高其精度每计算资源使用。机器智能驱动的多物理场相互作用的模型将被探索,沿着时空多尺度建模,多物理场不确定性量化和不确定性下的优化的有效方法。 这些进展将使人们能够系统地探索在加拿大蓬勃发展的新兴通信、传感、生物工程和计算技术,直接造福于加拿大经济。因此,将为高素质人员的全面、跨学科培训创造令人兴奋的机会。

项目成果

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    $ 4.66万
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