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关键词： 无线充电   磁耦合器   有限元仿真   电磁场   屏蔽层结构  

摘要： 无线充电技术因其安全性、可靠性、灵活性高等优点具有广阔的应用前景。磁耦合器是无线充电系统中的核心部件,由能量发射线圈、能量接收线圈及相应的屏蔽层组成。为提高系统的耦合性能并减少电磁泄漏,目前磁耦合器的电磁屏蔽层中使用了大量的铁氧体磁芯和铝材,造成磁耦合器体积大、重量大、成本高等问题,制约了无线充电技术的推广。为解决上述问题,本文对磁耦合器的耦合特性和磁场分布特性展开研究,提出新型双层屏蔽结构及新型三层屏蔽结构,并借助有限元仿真软件对各结构参数进行优化,最后进行了实验验证,具体工作如下:对磁耦合器的优化设计原理进行分析。分析无线充电系统的主电路,建立磁耦合器的等效电路模型,分析磁耦合器各参数对系统效率的影响,为磁耦合器的优化指明方向。对磁耦合器进行磁路分析,并建立磁路等效模型,为磁芯结构的优化奠定理论基础。介绍电磁屏蔽的常用方法和常用的屏蔽材料,详细分析导磁屏蔽和导电屏蔽的原理,为电磁屏蔽层结构的优化提供理论支撑。对磁耦合器进行优化设计。基于3D有限元仿真软件对磁耦合器各组成部分进行优化。对磁耦合器的线圈结构展开研究,分析比较了单线圈和DD线圈在无屏蔽、单层磁芯屏蔽、磁芯加铝板双层屏蔽三种屏蔽情况下的耦合特性、磁场分布情况和抗偏移能力,选择合适的线圈结构并设计了无线充电系统磁耦合器的发射、接收线圈。在常用磁芯结构的基础上对磁耦合器的磁芯结构进行优化,在提高耦合系数的同时使铁氧体磁芯的用量最少。针对常用双层屏蔽结构的不足结合磁耦合器的漏磁特性,提出新型双层屏蔽结构和新型三层屏蔽结构,在符合磁通泄露标准的情况下,降低屏蔽层的重量和成本,给出了磁耦合器屏蔽结构的优化设计流程。在上述有限元仿真的基础上,制作磁耦合器实物,搭建无线充电系统的实验平台,对所提新型双层屏蔽结构和新型三层屏蔽结构的可行性和正确性进行验证。实验结果表明,在额定输出时,新型双层屏蔽结构可以使磁耦合器的侧方漏磁低于27μT,证明了新型双层屏蔽结构的正确性和有效性;新型三层屏蔽结构在实现与全覆盖型双层屏蔽结构对磁耦合器的侧方和上方漏磁屏蔽效果相同的情况下,减少了71.2%的磁芯用量和80%的铝用量,并将耦合系数提高了2.24%,证明了新型三层屏蔽结构的优越性。

关键词： 水凝胶   羟基磷灰石   Ⅰ型胶原单体   电磁场   骨软骨缺损   间充质干细胞  

摘要： 目的:软骨损伤是一种常见的医学问题,可以由创伤、老化、软骨本身和软骨下骨的紊乱(包括骨关节炎、骨坏死和剥脱性骨软骨炎)等引起。关节软骨损伤时可导致慢性疼痛,引起受累关节功能障碍,严重降低患者的生活质量。然而,由于软骨血管缺血,软骨细胞代谢活性低,软骨缺损的自愈能力有限。虽然软骨缺损的治疗有多种选择,但由于再生组织的质量较差,透明软骨的完全修复在临床实践中仍然是一个主要的挑战。安全、无创的磁场治疗结合组织工程修复软骨可能是一个有希望的前景。 方法:本研究制备了羟基磷灰石-Ⅰ型胶原单体(HAC)和PLGA-PEG-PLGA温敏水凝胶复合支架,此种支架可分别与骨软骨缺损中的软骨层和软骨下层相匹配。通过开环聚合反应的方法合成了PLGA-PEG-PLGA温敏水凝胶支架。然后确定了支架的溶胶-凝胶转变的温度。分别在1、4、7天通过活/死细胞染色来检验温敏水凝胶对骨髓间充质干细胞存活能力的影响。接下来使用兔股骨髁缺损模型,研究了负载骨髓间充质干细胞并在电磁场刺激下的HAC和PLGA-PEG-PLGA复合支架对骨软骨缺损修复的体内效应。我们进行了组织学染色,并使用一种定量评分系统来评估支架对软骨修复的影响。采用免疫组化染色来检测软骨形成和成骨相关蛋白,包括Col2、Aggrecan、OCN和Col1,以反映组织再生和修复情况。这些标记物在新生组织中的m RNA水平的表达通过反转录酶-聚合酶链式反应(RT-PCR)。同时,应用micro-CT评估缺损区域软骨下骨的骨量,测量指标为骨体积与总体积之比(BV/TV)。最后,我们采用western blot、RT-PCR、流式细胞仪分析和免疫荧光染色等方法探讨电磁场治疗促进骨软骨修复的机制。通过检测Cyclin D1、CDK4、PCNA等增殖相关蛋白的表达来评价骨髓间充质干细胞增殖,通过检测PI3K/AKT/m TOR通路来解释电磁场对骨髓间充质干细胞增殖的影响。对于软骨形成作用,通过免疫荧光检测软骨形成相关蛋白(包括Col2、Aggrecan和SOX9)来判断软骨形成情况,并检验Wnt1/LRP6/β-catenin通路来探究其是否为电磁场促软骨修复作用的潜在机制。 结果:PLGA-PEG-PLGA共聚物在4℃时为水溶液,加热至37℃时转变为无流动性的凝胶态。活/死细胞染色显示,温敏水凝胶对骨髓间充质干细胞的活性和增殖没有影响,细胞在水凝胶中分布较为均匀。在电磁场的作用下,原生组织与再生组织之间的界限几乎被消除,修复后的组织呈现出与原生透明软骨相似的外观。在机械强度测试中,在相同应力下,电磁场组的应变最低,说明电磁场处理组新形成的组织具有良好的力学性能,强度最高。修复区域的BV/TV值在电磁场组最高。组织学评价显示电磁场组软骨下骨评价得分(包括骨填充、骨形态、骨黏结)均最高。电磁场组软骨缺损中Col2、Aggrecan、Col X和OCN免疫组化染色阳性程度最高。免疫组化染色及RT-PCR结果显示,与其他组相比,电磁场处理后Col2、Aggrecan、Col X、OCN和Col1的RNA表达显著增加。电磁场显著增强了细胞增殖相关基因Cyclin D1、CDK4、PCNA的表达。相应地,电磁场处理使得PI3K、AKT和m TOR的磷酸化水平显著升高。PI3K抑制剂(Dactolisib)或m TOR抑制剂(AZD8055)可减弱电磁场引起的Cyclin D1、CDK4和PCNA的表达增加。在软骨作用方面,免疫荧光荧光强度分析显示Col2、Aggrecan和SOX9蛋白的表达在电磁场作用下均显著增强。PCR和Western blot结果显示与其他组相比,电磁场组COL2、ACAN和SOX9的表达均增加。与对照相比,电磁场干预后细胞中WNT1、LRP6和β-catenin基因表达也显著升高。Wnt1抑制剂SM04960可以部分下调电磁场诱导的Col2、Aggrecan和SOX9表达增加。当使用β-catenin抑制剂LF3时,也观察到类似的结果。 结论:利用HAC和PLGA-PEG-PLGA制备的温敏水凝胶支架可以良好地与骨软骨缺损处软骨和软骨下层相匹配。用电磁场刺激封装在该温敏水凝胶支架中的骨髓间充质干细胞。体外实验结果表明,电磁场可通过激活PI3K/AKT/m TOR和Wnt1/LRP6/β-catenin通路促进骨髓间充质干细胞增殖和软骨分化。体内实验进一步证实电磁场可增强兔骨软骨缺损的修复,特别是软骨的修复。因此,本研究为电磁场甚至其他生物物理刺激在组织再生和骨软骨缺损疾病临床治疗方面提供了基础。

关键词： 工业循环冷却水   电磁场   阻垢特性   分子动力学  

摘要： 工业生产中循环冷却水运行过程中水分蒸发导致成垢离子浓度逐渐增加,极易在管道及换热表面产生结垢问题。水垢一旦在设备壁面形成便不容易去除,增加运行压降,影响换热效果,从而造成经济损失。电磁场阻垢装置结构及操作简单,对环境无污染且运行成本低,大量研究证明了电磁场对阻垢的有效性。受实验条件的限制,电磁场阻垢机理不明确,实验结论不能指导工业应用。针对上述问题,本文采用分子动力学模拟与实验相结合的方法,对电磁场阻垢机理进行深入研究。主要研究内容包括:(1)运用分子动力学研究改变磁场强度和体系温度下,成垢离子溶液中配位数、自扩散系数和氢键数目的变化,并分析了这些变化对碳酸钙结垢的影响。结果表明:静磁场作用下,钙离子周围水分子配位数增加,钙离子和水分子自扩散系数降低,溶液中氢键数目增多;随温度升高,磁场作用效果减弱;静磁场作用下阻碍了成垢溶液中碳酸钙的生成。(2)运用分子动力学模拟成垢离子溶液在电场作用下微观特性的变化,改变电场频率、电场强度和体系温度,分析配位数、自扩散系数以及氢键数目在不同条件下的模拟结果。研究得出:电场作用下,钙离子配位数减少,钙离子和水分子活性增加,氢键数目减少;电场作用效果随温度升高减弱;电场促进了溶液中碳酸钙的生成,交变电场对溶液中粒子的影响强于静电场。基于磁场和电场的模拟,分析认为电磁场能破坏水分子之间的氢键,增强成垢离子的活性,对溶液中的结垢有促进作用。(3)为了验证电磁场对于成垢溶液中结垢的促进作用,搭建了电磁阻垢动态实验系统,测试了电磁场频率和强度对阻垢效果的影响,并分析了溶液电导率、p H、碳酸钙平均粒径在不同电磁场条件下的变化趋势。实验结果表明:电磁场作用下溶液电导率和p H下降幅度增大,碳酸钙平均粒径增大,促进溶液内结垢的发生,验证了分析结果;在9-21k Hz测试范围内,溶液电导率和p H在15k Hz时下降最明显,电磁场作用效果最佳;在4-13V测试范围内,溶液电导率和p H在10V时降幅度最大,电磁场阻垢效果最好。

关键词： 雾霾   化学成分   电磁场   化学物理性质   凝结过程  

摘要： 雾霾,即雾和霾,分别表示大气中的液体气溶胶与固体气溶胶颗粒。雾霾天气是一种污染天气,表明大气中气溶胶颗粒(尤其是PM2.5)悬浮物明显超标,并对社会生活产生了影响。雾霾不仅降低能见度,影响交通运输,而且严重危害人体健康,包括引发呼吸道和心血管疾病、增加患癌几率等。雾霾的出现极大地破坏了生态环境,成为了人类健康生存的重大威胁。因此,有关雾霾的研究与防治已经迫在眉睫、刻不容缓。 由于近年来大气中雾霾含量仍然居高不下,而且随着电子与通信工业发展,大气中的电磁波含量也急剧增强,电磁波对雾霾成因以及演变过程的影响及机理尚不明确,这为雾霾中的机理研究带来了新的思路与挑战。大气中的电磁环境与雾霾的直接联系主要在于两个方面,一是雾霾颗粒通常带有电荷,带电粒子在电磁场中的运动必然受到电磁场的影响,包括电场力与磁场的洛伦兹力。二是雾霾的形成涉及很多微观的物理化学过程,如污染气体的吸附与溶解、二次化学反应、细小颗粒的凝结成核等过程在微观层面可能由于其化学物理特性受到电磁波的影响。目前大量研究表明电磁波(尤其是微波)存在明显的特殊化学效应,这些特殊效应引发了微波热效应与非热效应的学术探讨。相关的实验方法和分子动力学模拟方法都被用来描述微波的非热效应,从机理和现象都给出了一些研究成果,然而针对大气环境中主要化学物质的研究较少,这使得我们对于大气中电磁场对雾霾形成主要化学成分的影响知之甚少。为了进一步理清电磁波与大气雾霾化学成分的联系,需要从各个角度研究时变电场对雾霾化学成分的影响效果。因此,本文针对以上问题从微观尺度开展了时变电场对雾霾化学成分前驱物、产物以及中间凝结过程的影响研究,主要创新性工作如下: (1)针对化学体系介电响应的微观机理,在理清介质分子尺度上极化和损耗的基础上,研究了含氢键体系的介电响应及弛豫行为,为大气中污染物与水的氢键体系提供先验知识。以某些二元混合溶液体系为例,研究了其含有氢键体系时的介电响应情况,发现混合体系的介电常数会出现大于两者的特殊现象。数学分析了描述混合体系介电常数的传统Bruggeman公式出现介电常数特殊现象的数学条件,采用基于氢键体系的双弛豫模型对Bruggeman公式的实部和虚部添加弛豫项进行修正,实现了计算值与实验结构更好的吻合。这对混合体系的介电响应行为提供了更详细的认知,为后续大气中含氢键体系化学成分的介电响应研究提供了理论基础,并为后续大气化学成分混合体系的微观研究提供了分子模拟的研究思路。 (2)针对雾霾前驱物的化学成分,选取二氧化硫作为雾霾化学成分前驱物的代表物,进行了分子模拟来研究电磁场对雾霾前驱物的物理性质的影响,并进行了相应的实验验证。通过密度泛函理论计算发现外部电场改变了二氧化硫-水团簇的几何结构和结合能,尤其结合能的降低可能导致二氧化硫溶解行为发生相应的变化。对二氧化硫水溶液进行了分子动力学模拟,发现电场降低了二氧化硫与水分子之间的相互作用,尤其是减弱了氢键形成,并抑制了二氧化硫在水中的扩散。而且热力学分析表明其溶解度自由能正向移动,即溶液更加不稳定而导致溶解度降低。我们的相关实验验证表明,在外加静电场的作用下,它的溶解度确实会降低。在实际环境中,电场作用下二氧化硫溶解度与水结合的这种变化可能导致大气中二氧化硫转化为硫酸盐的速度发生变化。 (3)针对雾霾产物的化学成分,选取了部分大气有机污染物并通过对分子结构施加外电场研究了分子偶极矩、极化率、分子范德华体积以及能量密度的变化情况,以此判断分子本身对外电场的响应。发现某些有机分子如甲基乙二醛在电场作用下的稳定性表现出特异性。以此为依据选取甲基乙二醛作为研究对象,对其水溶液进行了弱微波辐射实验,发现了甲基乙二醛水溶液在毛细管膨胀计中的液位降低的现象,这表明液体密度增加,且与微波加热引起的液体热膨胀效应相反。采用分子动力学模拟研究了电场作用下甲基乙二醛水溶液中氢键的形成和动力学特性,显示了密度变化的过程是由于时变电场促进形成了更紧密的氢键结构或甲基乙二醛自身团簇结构,其中甲基乙二醛自身团簇结构主要由5.8 GHz的电场促进形成。这对研究大气中甲基乙二醛等有机组分的动态变化具有重要意义,也为微波的非热效应提供了合理的解释。 (4)针对雾霾产物化学成分的吸湿成核过程进行了准静态分析。采用电场作用下的分子动力学模拟研究了不同分子(硫酸分子、氨气分子和硫酸铵分子)作为凝结核时,不同尺寸纳米液滴的准静态物理性质。获得了含有不同化学成分凝结核的液滴在各种电场作用下的内部分子排布、蒸汽压强和表面张力等结构和力学信息,并结合经典成核理论计算了不同液滴的吉布斯自由能及成核势垒。发现了电场作用下液滴的法向压强和表面张力都具有降低的趋势,这种变化使得液滴更不稳定而导致成核势垒增加,进而降低了成核速率。而且电场作用具有频率效应,其主要由液滴表面的离子类型导

关键词： 静电电磁脉冲场   针-板电极   诱发放电   流注放电   残余环境等离子体  

摘要： 随着微电子技术的发展,大型和超大型集成化电路在各类航天电子设备中早已大范围应用,大大地提高了航空设备的科技水平,但电子设备若长期处于复杂的电磁环境中,强电磁脉冲会耦合到航天器零部件的电缆或电路中,损坏电子敏感设备或系统,使其无法正常工作。电子设备中某些薄弱部位在强电磁场环境下易发生放电现象。为了分析自然环境下强电磁场诱发放电的机理和规律,本文从理论分析、建模仿真、实验验证等方面详细分析了诱发放电参数特性,并总结了诱发放电规律。主要研究工作具体如下:(1)根据流体动力学理论,建立针-板电极静电放电的基本仿真模型,得到的仿真结果与理论分析趋于一致,证明建模和仿真的有效性。并根据诱发放电理论在上述模型的基础上建立强电磁场诱发针-板电极静电放电的仿真模型,分析了有无强电磁场环境下静电放电的机理以及放电参数的变化特性。(2)针对外界环境因素对强电磁场诱发放电的影响,建立了静电电磁脉冲场入射方向、温度、残余环境等离子体等条件下静电放电电磁脉冲场诱发针-板电极放电的仿真模型。结果表明:外加强电磁场场强不变时,随着静电电磁脉冲场入射方向度数的增大,流注贯穿间隙的时间逐渐增长,显著提高了击穿电压阈值;伴随温度的提高,流注贯穿间隙的时间显著缩短;残余环境等离子体的存在,也会降低击穿电压的阈值。(3)为了解微波与带电粒子间的相互作用原理,采用粒子模拟方法,建立了电子回旋共振放电模型,详细解释了电子回旋共振放电条件,以及带电粒子与微波相互作用下粒子模拟方法的仿真流程,分析了不同外加静磁场与不同微波频率对电子运动的影响。(4)利用了静电放电电磁脉冲场诱发空气式静电放电的实验平台,以针-板电极为研究对象,研究了电极间距、静电放电模拟器输出电压与高压源电压等因素对诱发静电放电的阈值特性和诱发特性的影响,获得了不同针-板间距下静电放电电磁脉冲场诱发静电放电的规律。

关键词： 熔盐储热系统   电磁耦合致热   电磁场   三维瞬态温度场   仿真模型  

摘要： 随着全球能源结构的不断改善和深入发展，国家大力实施“煤改电”等电能替代项目，对电能和热能的转化、利用和储存提出了新的要求。相变储热技术的发展可以十分有效地实现电量的“削峰填谷”，在“谷段”利用电能产生热能并利用相变储热材料储存热能，在“峰段”即可将储存的热量应用在用户侧。目前，无论是现代电网中的电网储能问题、削峰填谷问题、新能源消纳问题等，利用电磁耦合技术致热熔盐储热材料都是非常有效的解决方案之一，因此相关的研究是刚刚兴起的热点问题，而目前利用电磁耦合致热熔盐储热材料的研究都以中高频加热为主，缺少工频下的研究，且难以实现高电压、大功率致热。　　本文提出一种熔盐储热系统的高电压大功率工频电磁耦合直接致热技术，根据电磁感应加热理论和变压器工作原理，设计了储热系统工频电磁耦合致热的基本结构，结合麦克斯韦方程组建立三维瞬态电磁场仿真模型，进行电磁场仿真计算，并基于所设计的基本结构，针对Solarsalt二元硝酸盐和Nacl两种典型熔盐储热材料进行三维瞬态温度场仿真计算，探究分析在不同熔点和导热系数时，对工频电磁耦合直接加热方式的加热性能和加热均匀性等的影响因素。　　针对熔盐导热系数低易导致加热均匀性差的问题，在基本结构的基础上，以导热性相对较好的NaCl作为熔盐储热材料，研究工频电磁耦合加热系统的不同二次绕组结构对加热及传热过程的影响，利用温度场仿真计算分析了3种不同优化结构系统对NaCl的加热均匀性、温差、“热区”“冷区”分布等的影响情况，以熔盐储热材料的最高温度、最低温度和温差作为优化评价指标，获得了可以实现均匀加热效果的具有三层弧壁的扇形柱体二次绕组优化结构。采用360kW、540kW和720kW的不同加热功率对相同体积的NaCl储热材料的储热过程仿真计算，研究加热功率对储热时间、储热性能、储热均匀性等参数的影响规律，为确定合理的加热功率提供了理论依据。为了探讨导热系数对工频电磁耦合加热系统均匀性的影响，以Solar Salt二元硝酸盐和NaCl分别作为低导热系数和高导热系数的代表材料，采用三层弧壁的扇形柱体二次绕组优化结构分别进行了储热过程仿真，确定了工频电磁耦合加热系统在储热系统中的适用范围。　　最后，考虑到储热系统的实际工况，进一步针对先加热再放热和同时加热放热两种运行模式进行仿真分析，提出了两种不同分布模式的换热管布局方案，对两种布局方案在不同放热模式下进行了放热效果分析。结果显示，以热源分布为换热管布局标准，换热管与二次绕组相连接的换热管布局方案可以在保证加热效果的前提下，实现更加快速、均匀的向外传递热能。　　经理论计算和仿真实验，本系统的结果满足设计要求，填补了目前熔盐储热系统的高电压、大功率工频直接加热领域的技术空白，实现了清洁环保、高效快速、均匀性强的高电压大功率系统优化研究。

关键词： 离体海马脑片   极低频电磁场   钙离子内流   突触可塑性   神经元  

摘要： 现代生活方式使人类时刻暴露在电磁场下，尤其是极低频电磁场（ExtremelyLow-frequencyElectromagneticFields，ELF-EMFs）。人们对于电子类产品的依赖性越来越强，在不远的将来，电子类产品甚至会植入人体内。个人通讯设备和电器设备均是产生ELF-EMFs的重要来源。因此探究极低频电磁场对于人体产生的任何影响都显得尤为重要。在先前的研究中，我们已经了解到极低频电磁场（100Hz以下，3mT以下）会对大鼠海马SchafferCollateral-CA1（SC-CA1）区神经元长时程增强（Long-termPotentiation，LTP）造成影响：使场兴奋性突触后电位（FieldExcitatoryPostsynapticPotentials，fEPSPs）幅值相较于对照组出现不同程度下降。该现象引起广泛讨论，但由于其牵扯到物质之多，过程之复杂，目前为止相关机制仍不明确。但有文献显示，极低频电磁场会对于细胞内游离钙离子浓度（IntracellularCa2+Concentration，[Ca2+]i）产生较显著影响，而钙离子又是诱导及维持LTP的必要物质之一。　　我们可以合理设想，极低频电磁场通过某种引起钙离子内流的机制影响LTP。此外为了对突触可塑性进行完整缜密的探究，我们也增加了对于长时程抑制（Long-termDepression，LTD）的实验研究，试图通过钙离子将极低频电磁场和突触可塑性建立起机制上的联系。　　总之，我们利用电生理技术研究了极低频电磁场对大鼠海马SC-CA1区神经元产生作用的内在机制。磁场对于突触可塑性呈现出有趣的机制，使得LTP减弱而LTD则增强。改变细胞外钙离子浓度（ExtracellularCa2+Concentration，[Ca2+]e）寻找突触可塑性对于钙离子的反应机制。使用电感耦合等离子体质谱仪（InductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometer，ICP-MS）技术检测海马脑片中钙离子的含量证明极低频电磁场促进了胞外钙离子内流。使用氯化镉（CadmiumChloride，CdCl2）及环胞素（CyclosporinA，CsA）两种阻断剂对钙/钙调神经磷酸酶（Ca2+/Calcineurin）通路中的关键物质电压门控钙离子通道（Voltage-gatedCalciumChannels，VGCCs）及钙调神经磷酸酶（Calcineurin，CN）分别进行阻断后，磁场的作用也随之消失。这充分证明磁场对突触可塑性的作用是由钙/钙调神经磷酸酶通路介导的，为我们研究极低频电磁场对生物体学习与记忆方面的具体作用机制开启了一条新的道路。

关键词： 射频热疗   人体皮肤组织   协同和拮抗效应   热效应模型  

摘要： 非侵入式射频热疗技术具有副作用小、效率高等优势,能够在人体生物组织靶点处产生局部高温,进而实现对组织内靶细胞DNA灭活或热消融,该技术在人体生物组织内靶细胞热消融治疗中具有广阔的应用前景。然而,现有研究对引起皮肤组织靶点温度变化的影响参数考虑较少,缺乏综合考虑电磁激励参数和人体差异对人体皮肤组织热效应的共同影响,进而导致人体皮肤组织热效应模型计算精度降低。同时,由于所考虑的射频热疗影响参数数目较少且模型精度较低,难以有效准确调控人体皮肤组织靶点温度,也易导致人体皮肤组织热疗事故。因此,本文综合考虑电磁激励幅值和频率、电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度对人体皮肤组织靶点温度影响,开展了人体皮肤组织靶点温度演化规律的研究;讨论分析了不同影响参数对人体皮肤组织靶点温度的协同和拮抗作用机制;基于不同影响参数间的协同和拮抗作用机制,提出了人体皮肤组织热效应模型。研究首先基于Sim4life仿真平台,设计了人体皮肤组织射频热疗模型;讨论了用于电磁激励作用下人体皮肤组织物理场计算的准静态方程及网格剖分方法;分析了电磁激励在人体生物组织内的作用方式及机制;设计了人体组织内血液灌注所产生的热量耗散过程,为分析电磁激励对人体皮肤组织靶点温度研究提供支撑。其次,通过计算确定了本次射频热疗下的人体组织内比吸收率(SAR)在安全限制范围内,并在此基础上开展了电磁激励幅值和频率、射频电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度等不同参数对人体皮肤组织靶点温度的影响研究;构建了不同参数数值、电场强度和电流密度与人体皮肤组织靶点温度数值间的关联关系,分析了不同参数和电场强度及电流密度作用下人体皮肤组织靶点温度的演化规律。最后,研究揭示了电磁激励幅值和频率、电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度等不同参数对人体皮肤组织热效应的协同和拮抗作用机制。结合有限元分析和射频热消融试验,验证了人体皮肤组织热效应数学模型的计算精度(达97.5%以上),为更好理解多因素共同作用下人体皮肤组织的热效应机理及射频热消融技术参数优化提供参考。

关键词： 高中物理   专题研究   带电粒子在电磁场中的运动   教学策略  

摘要： “带电粒子在电磁场中的运动”专题贯穿了现行高中物理教材(2003人教版)整个选修3-1部分,属于高中物理教学中的重点之一。根据学生们平时的学习情况和考试结果可以看出该专题也是高中物理教学的难点。同时从近五年的高考情况来看,其中有四年的压轴大题都是考查了该专题。另外,通过文献分析,发现涉及该专题方面的研究主要以期刊论文为主,还没有针对该内容进行过完整系统地专题研究。基于以上背景笔者选择了本课题研究。论文首先通过文献综述,分析本专题研究的现状以及当前研究中存在的不足,并结合物理学科核心素养明确了本专题研究的意义和价值。然后,根据高中物理课程标准和高中物理教材相应内容及其内在逻辑,确定了本专题研究的主要内容以及相应的方法与思路等。接着,根据相关文献资料和高中物理教材对应内容的分析,并结合笔者自身的高中三年整个阶段的实际教学经验,将高中物理带电粒子在电磁场中的运动进行了全面归纳和系统分类,并逐一进行了分析。随后,为了进一步明确目前在校高中学生对本专题学习的真实现状和水平,笔者精心编制了一套包含有以上归纳出的所有类型的专题测试卷,并在笔者所执教的学校高三年级里任意选取的两个班级进行了测验。为了更全面、深入地掌握学生对于本专题的学习情况,测验后我又挑选了测验成绩分别分布于不同分数段的十名同学进行了深度访谈,从学习态度、心理活动和思维过程等方面进行了深入交流。最终明确了学生在学习本专题时存在或遇到的主要学习障碍,包括畏难情绪,运动模型构建不畅,受力分析模糊不清,几何知识运用不当等。最后,基于对学生学习障碍的分析,并结合本专题内容、特点及其内在逻辑关系和相关研究成果,明确提出以下相应教学策略:(1)克服畏难情绪,(2)善用类比思维,(3)注重受力分析,(4)巧用几何方法,(5)强化认知整合等。通过本专题研究,进一步明确了高中物理“带电粒子在电磁场中的运动”的主要内容及分类,分析了高中学生对于本专题学习的现状及存在问题,提出了相应的教学策略等,以期能够提高对于本专题的教学效率和质量,提升高中生的物理学科核心素养。

关键词： 有限元法   多物理场耦合   载流量   电缆隧道  

摘要： 随着城市用电需求的增加和电网发展不断加快,高压电力电缆敷设与城市用地紧张的矛盾也越来越突出,为缓解城市电网建设与城市用地紧张的情况,电缆隧道敷设以其独特的优越性得到了越来越广泛的应用。电缆载流量计算作为选择电缆敷设方式的重要依据,对于实际工程敷设和电缆运维检修具有重要实践意义。本文使用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了三维电磁-热-流耦合模型,与二维模型相比,本文建立的三维模型增加了隧道内强制对流换热,更加贴近隧道内空气流动,并能对电缆的轴向传热特性进行分析,采用解析法和隧道实测数据验证了其正确性和准确性。基于所建立的模型分析了隧道通风口长度、流入隧道内空气温度、隧道内空气流速和电缆水平排列间距对电缆载流量的影响规律,根据实际工程数据和技术员经验数据设计了正交试验,研究了四种影响因素对电缆载流量影响程度的大小。结果表明空气流速对电缆载流量的影响程度最大,隧道内空气流速和电缆载流量近似成线性关系,隧道内风速对电缆载流量起着重要作用,提高风速的同时需注意减少障碍物增大空气流动通道。对于电缆排列间距,电缆在其排列间距小于电缆半径时呈现出近似线性关系,随着间距的增大,其载流量增长幅度降低,对于水平排列间距可选择为敷设电缆的半径宽度。研究表明水平紧凑排列比品字形排列电缆载流量更高。流入隧道内空气温度与电缆载流量线性关系非常明显,隧道内空气温度每升高1度电缆载流量下降约9A。对于隧道通风口长度相比于其它三种影响程度最低,由于其成本和城市用地的限制,可在规定要求内适当增大通风口间距,并通过增大风速,增大电缆排列间距和降低流入隧道内空气温度来提高整个隧道内电缆载流量。