实际电容的模拟计算

Question

目的是在二维环境下模拟一个真正的平板电容器。电枢的电位固定在+V和-V上，在模拟单元的边缘电位为零。在电容器板之间放置介质材料。通过数值确定板上的电荷和积分电场的流动，计算了电容。结果与不考虑边缘效应的公式进行了比较。

我正在寻找使它更高效的方法，以及如何使用一些功能，因为我不认为它看起来很清楚。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main(int argc, const char * argv[])
{
    double Lx,Ly;//lunghezze lati cella di simulazione
    int Nx,Ny;//numero punti lungo x e y
    double Px,Py;//posizione rispetto all'origine del vertice della prima piastra
    double Zx,Zy;//posizione rispetto all'angolo del bordo a destra del vertice della seconda piastra
    double Lc;//spessore della piastra
    double Hc;//altezza piastra
    int    dist_type;//tipo di distribuzione di carica: 1-uniforme
    double thrs;//valore soglia per convergenza
    double V;
    double Nstampa;

    int   iCount;
    int   phi_bordo=0.;//funzione phi sul bordo
    double hx,hy;
    double diff=1e10;

    ofstream fphi,fcharge, ffield;


    cout.precision(10);
    cout << "Lato cella lungo x\n";
    cin >>  Lx;
    cout << "Lato cella lungo y\n";
    cin >>  Ly;
    cout << "Numero punti lungo x\n";
    cin >>  Nx;
    cout << "Numero punti lungo y\n";
    cin >>  Ny;
    cout << "Vertice piastra 1 in x\n";
    cin >>  Px;
    cout << "Vertice piastra 2 in y\n";
    cin >>  Py;
    cout << "Vertice piastra 1 in x\n";
    cin >>  Zx;
    Zx = Lx - Zx;
    cout << "Vertice piastra 2 in y\n";
    cin >>  Zy;
    cout << "Spessore piastra \n";
    cin >>  Lc;
    cout << "Altezza piastra \n";
    cin >>  Hc;
    cout << "Potenziale piastre (in Volt) \n";
    cin >>  V;
    cout << "Soglia per convergenza \n";
    cin >>  thrs;

    double* phi0= new double[Nx*Ny];//funzione da trovare
    double* phi1= new double[Nx*Ny];//funzione da trovare
    double* phi2= new double[Nx*Ny];//funzione da trovare
    double* ftilde=new double[Nx*Ny];//distribuzione di carica e fattori bordo
    double* mphi= new double[Nx*Ny];

    hx=Lx/(Nx-1.);
    hy=Ly/(Ny-1.);


    iCount=0; //iCount corrisponde all'indice l delle dispense l = j*Nx + i con i,j indici rispettivamente di xi e yj
              //infatti stiamo calcolando ftilde che è l'array indicizzato con l
    for(int j=0;j=Px && x<=(Px+Lc) && y>=Py && y<=(Py+Hc)) {
                ftilde[iCount]=V;
            }
            else if(x>=Zx && x<=(Zx+Lc) && y>=Zy && y<=(Zy+Hc)){
              ftilde[iCount]=-V;
            }
            else{
                ftilde[iCount]=0.;
            }
            //potenziale sul bordo della cella
            if(i==0 || i==(Nx-1) || j==0 || j==(Ny-1)){
                ftilde[iCount]+=phi_bordo;
            }
            iCount++;

        }
    }

    //metti phi0 in condizioni iniziali quindi pari a 0
    for(int i=0;ithrs){
         for(int i=0;i0){
                         jCount=j*Nx+(i-1); // m = l-1
                         mphi[iCount]+=-phi0[jCount]/pow(hx,2)/div;
                     }
                     if(i0){
                         jCount=(j-1)*Nx+i;// m = l - Nx
                         mphi[iCount]+=-phi0[jCount]/pow(hy,2)/div;
                     }
                     if(j

Answer 1

关于混合语言的

我看你的程序是为意大利用户准备的。但是开发人员说的是什么语言呢？注释也都是意大利语，但是变量的名称是意大利语(例如，Nstampa、Flusso1)和英语(dist_type，iCount)的混合。

在使用哪种语言时要保持一致。当然，C++语言的关键字以及标准库中的函数和类型的名称都是英语，这一点也没有帮助。所以我建议你用英语写你所有的代码。如果您希望只有意大利开发人员在这个项目上工作，那么在注释中使用意大利语是可以的。当然，写到std::cout的文本应该是用户所期望的语言，所以如果这是意大利语的话，那也没关系。

避免短变量名

短变量名可以节省一些输入量，但很难准确地说明它们的含义。如果我看到代码中使用了Lx，我不确定L是否代表长度，但是即使我知道，长度是多少？电容器本身的长度？还是其中的一个细胞？一个更好的变量名是cell_size_x。

为什么有三个数组-- phi0、phi1和phi2？phi到底是什么意思？通量？阶段？角度？声明中的评论根本没有提到这一点。

如果您使用的是一本书或一篇文章中的一些公式，并且希望在代码中使用与它们在这些公式中使用的符号相同的符号，这是保持变量名简短的一个有效理由，但在这种情况下，您必须在代码中添加到图书或纸张的链接。

集团相关信息汇集在structs

中

我看到您创建了5个数组，保存了模拟中每个单元格的信息。考虑创建一个保存有关单个单元格的所有信息的struct，然后只需创建一个数组：

struct Cell {
    double phi0;
    double phi1;
    double phi2;
    double ftilde;
    double mphi;
};

Cell* cells = new Cell[Nx * Ny];
…
for (int i = 0; i < Nx * Ny; i++) {
    cells[i].phi1 = cells[i].ftilde;
    cells[i].phi0 = cells[i].ftilde;
    cells[i].phi2 = 0;
}

你也有几个二维矢量。为此创建一个struct也很有帮助。例如：

struct Vec2 {
    double x;
    double y;
};

Vec2 cell_size; // replaces Lx and Ly

如果添加运算符重载，它们就会变得更有用，因此您可以像使用常规的ints和doubles那样对它们进行计算。但是，自己创建这个库可能需要很多工作，所以我建议您选择一个为您实现向量类型的库，例如GLM，但也有许多其他人。

避免手动分配内存

而不是用new分配数组，而必须记住要使用delete，而是使用std::vector。内存泄漏，因为您注释掉了Emat和E的D34语句。

使用std::vector还有其他好处:您可以在某些地方使用range-for语句。考虑：

struct Cell {…};

std::vector cells(Nx * Ny);
…
for (auto& cell: cells) {
    cell.phi1 = cell.ftilde;
    cell.phi0 = cell.ftilde;
    cell.phi2 = 0;
}

给常量命名为

我看到8.8541878e-12在您的代码中多次使用的数字。与其每次写出来，不如为它定义一个常量，例如：

constexpr double e0 = 8.854187812813e-12; // Vacuum permitivity in Farads/meter

请注意，e0类似于这个常量通常使用的数学表示法\epsilon_0，如果不熟悉它的人正在阅读代码，注释将对其进行更详细的解释。

将代码拆分为多个函数

您已经注意到代码看起来不太好，并且可以从函数中受益。一种很好的开始方法是将main()重写成描述您需要在很高级别上做的事情的东西。例如，程序中有以下步骤：

• 读取参数
• 初始化数据
• 运行模拟
• 处理结果
• 将结果写入磁盘

您可以这样编写您的main()：

struct State {
    // All the variables needed to run the simulation
    …
}

static void read_parameters(State& state) {
    cout << "Lato cella lungo x\n";
    cin >> state.Lx;
    …
}

static void initialize_state(State& state) {
    …
    state.cells.resize(state.Nx * state.Ny);
    …
    for (auto& cell: state.cells) {
        cell.phi1 = cell.ftilde;
        cell.phi0 = cell.ftilde;
        cell.phi2 = 0;
    }
    …
}

static void run_simulation(State& state) {
    …
}

static void process_results(State& state) {
    …
}

static void write_results(State &state) {
    std::ofstream fcharge("carica.dat");
    std::ofstream fphi("phi.dat");
    std::ofstream ffield("campo.dat");
    …
}

int main() {
    State state;
    read_parameters(state);
    initialize_state(state);
    run_simulation(state);
    process_results(state);
    write_results(state);
}

一些新功能也会非常大，您可以进一步将它们分开。一个好的经验法则是函数不应该大于一个屏幕。此外，在示例中，程序中使用的所有状态都在struct State中，并传递给每个函数。然而，并不是每个函数都需要访问所有的东西，所以struct State可能会被分成多个structs，因此限制了每个函数可以获得哪些信息。您可能需要迭代这个过程几次才能达到这样一种情况:您有许多小的、简洁的函数和类型，这些函数和类型共同构成了一个内聚程序。

创建函数和structs的另一个好处是，它们的名字将描述它们所做的事情。这有助于记录代码，减少添加注释的需要。