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关键词： 经颅磁刺激   脑电   人头模型   电磁场   温度场  

摘要： 当前在临床治疗以及大脑神经科学等领域,经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)和脑电(Electroencephalogram,EEG)联合的技术已成为一个重要方向。但TMS-EEG技术不是直接技术的堆叠,结合之后仍有一些技术问题有待研究,如TMS产生的强脉冲磁场会在EEG电极等空间导体产生不必要的感应场,影响TMS作用下目标空间的电磁场分布。时变磁场可能会在附近高电导率的导体如EEG电极中产生涡流并使电极发热、运动,不仅造成电极传感器损坏,也可能因升温对人体造成热损伤。在此背景下,本文使用有限元仿真平台COMSOL Multiphysics搭建了人头模型、TMS线圈模型以及EEG电极等各部分模型。在频域中计算了有无EEG电极时头部及其电极等部分的磁感应强度和感应电场强度;计算了各部分的电磁体积损耗密度;在瞬态计算中研究了不同刺激频率r TMS连续作用后电极及生物组织的温度场;计算了各频率r TMS刺激下皮肤组织某点处的热损伤分数变化。最后通过后处理对空间各部分的磁场、电场、温度场及热损伤分数变化进行了可视化分析并将温度结果与相关标准进行对比。结果表明:放置EEG电极后头部组织所取各位置点处磁感应强度值和感应电场强度值均发生了变化,磁感应强度最大变化达10.77%,感应电场强度值最大变化达58%。放置脑电极后,YZ纵切面的最大磁感应强度值降低了13 m T,最大感应电场强度值降低了1 V/m。按10/20国际摆放规则放置的电极中,Cz电极的最大磁场值最强,C3和Fz电极的感应电场强度最强,耳垂部位A1电极处磁场和电场值均最弱,距TMS线圈越远,脑电极上的磁场强度和感应电场强度值越弱。TMS-EEG联合作用时,EEG电极体内的磁场和电场强度明显高于头部组织各部分的磁场和电场值。EEG电极的存在会对TMS作用下目标空间的电磁场分布产生影响,进而间接影响TMS的预期刺激及治疗作用。不同刺激频率的r TMS连续作用10 s或更长,高频率刺激下金属电极的温度会超过IEC60601-1:2012和GB9706.1-2020标准中有关温度的限值51℃。随着时间增加在10 Hz r TMS连续作用下,紧密接触电极的头皮组织内的温度可达到IEC规定的组织损伤阈值43℃。r TMS刺激频率越高,作用时间越长,距离金属电极越近的皮肤组织发生热损伤的风险越大。TMS-EEG联合技术在进行仪器设计以及治疗方案的确定时,需要将EEG金属电极的发热及可能造成的组织热损伤等因素考虑在内。

关键词： 半固态A356-RE合金   电磁搅拌   混沌流动   电磁场   流场  

摘要： 电磁搅拌法应用于半固态加工的关键在于其促进了合金熔体流动,而熔体的流动牵涉到传质、传热,会影响到溶质(或稀土)的输送、温度场的分布以及晶粒的形核与长大,对制取高品质球状晶粒半固态浆料十分重要。本文主要通过计算机仿真技术和试验研究相结合的手段,旨在探明电磁搅拌法制备半固态A356-RE合金过程的电磁场-流场分布规律,借此应用非线性混沌理论来探究合金熔体的流动特性,揭示混沌流动对熔体温度场的影响,探明混沌流动对半固态A356-RE合金凝固组织的影响,其中主要研究内容及结果概述如下:(1)利用计算机仿真技术,分别搭建电磁场、流场的三维仿真模型,研究了制取半固态A356-RE合金坯料过程的电磁场-流场的分布规律,探明电流强度及频率对熔体中电磁场及流场的作用,并辅以试验验证。结果表明,无论电流强度及频率如何变化,磁感应强度及电磁力都是由熔体中心向边缘增大,呈中间小边缘大特征,最大值出现在边缘处,且增大电流强度及频率都能使最大磁感应强度及电磁力增大,其中电流强度对于增大电磁力的贡献程度要高于电流频率;而在不同电流强度及频率下,熔体的流线都是绕着铸坯中心轴线作旋转分布,出现类漩涡状现象,当增大电流强度及频率,该流动现象更加明显,且合金熔体中心截面的最大流速均出现约在0.4R～0.6R处,并在该处沿熔体中心及边缘处减小。经综合分析和比较各参数下的最大电磁力及最大流速,发现5A-30Hz时搅拌效果相对较好,而试验结果也表明,半固态A356-0.4%Ce合金在5A-30Hz下获得的组织相形貌最好,与电磁场-流场的仿真结果相符合。(2)应用非线性混沌理论揭示熔体流动特性及其对熔体温度场的影响。在流场的基础上,求解两相邻微粒的运动轨迹,并求解其混沌特征参数最大Lyapunov指数和Kolmogorov熵值。结果表明,在不同电磁搅拌参数作用下,合金熔体都产生了混沌流动,且电流强度与频率是影响熔体流动混沌程度的直接因素,增大电流强度及频率都能使混沌流动程度增大,但并非电流强度越大,系统的混沌状态越复杂,在所研究的参数范围内,在参数5A-30Hz时,熔体中的混沌流动程度最高,凝固系统的混沌状态最为复杂,其最大Lyapunov指数为4.7851,Kolmogorov熵值为8103.7 nats/s。另外,熔体内部温度场的变化会受到混沌流动程度大小的影响,混沌流动程度越大,熔体温度差越小,同样在参数5A-30Hz下,混沌流动程度最大时,合金熔体的温度差最小。(3)基于上述研究内容,结合试验研究,探究混沌流动程度对半固态A356-RE合金凝固组织的影响以及探明不同搅拌参数诱发混沌流动下不同种类稀土对铝合金晶粒的细化效果。结果表明,混沌流动可有效改善半固态A356-RE合金的凝固组织形貌与尺寸,混沌流动程度越大,获得的合金凝固组织形貌相对较好,晶粒分布均匀且细小圆整,并在参数5A-30Hz时,混沌流动程度最高,其组织形貌较其他参数下的都好。此时,半固态A356-Ce合金的平均形状因子及等积圆直径分别为0.81、61.91μm,而半固态A356-Gd合金初生相的平均形状因子及等积圆直径分别为0.77、72.18μm,可知,轻稀土Ce比重稀土Gd在混沌流动下对铝合金初生相的细化作用更加明显。

关键词： 汽轮发电机   磁密   损耗   多层磁屏蔽结构   场-路耦合计算方法  

摘要： 为解决温室气体排放污染问题,我国提出“碳达峰、碳中和”的战略目标,核能作为替代煤炭的高效能源,加快发展核电已提上日程。核电站中的核心设备汽轮发电机容量较大,目前已经投运的核电用汽轮发电机容量已达到百万千瓦等级,但是容量增加会导致端部构件磁密骤增,出现局部过热现象,危及大容量汽轮发电机的安全稳定运行。电磁场作为温升计算的基础,对其详细研究是非常关键的。本文以1407MVA核电用汽轮发电机为例,对其端部电磁场和各结构件损耗情况进行了详细研究。首先,对核电用汽轮发电机端部的电磁场进行了分析计算。根据电磁学基本理论,建立了考虑定转子端部绕组、定子阶梯段铁心、齿压板、压圈、磁屏蔽、屏蔽压板等端部构件的三维电磁场数学模型和物理模型。采用双重收敛迭代确定了额定负载工况下励磁电流和功角,并计算了三维端部电磁场,在此基础上分析了各构件磁密的分布规律。其次,对核电用汽轮发电机端部电磁场和损耗的相关影响因素进行了探讨。针对多层磁屏蔽结构,对磁屏蔽厚度相等和不相等以及厚度变化、有无周向通风沟以及通风沟深度等情况进行了详细研究,对比了不同因素下端部构件电磁场以及损耗大小的变化规律。最后,使用了一种场-路耦合有限元计算方法,对核电用大型汽轮发电机端部电磁场进行了计算,解决了以往求解发电机端部电磁场依靠迭代计算初始参数的繁杂过程,将场-路耦合方法与传统方法的计算结果进行了对比分析。建立了汽轮发电机三维端部流体与传热耦合模型,并将场-路耦合方法确定的损耗值作为热源,计算了端部各构件的温升,并与实测值进行了对比,结果表明,该场-路耦合有限元计算方法是可行的,计算结果是准确的。

关键词： Equivalent circuits  

摘要： To estimate in advance the high-frequency impedance of a motor, and its internal voltage distribution when an inverter surge is applied, a technique to derive the circuit constants of various parts of a motor based on electromagnetic field analysis and build its high-frequency equivalent circuit, where each turn of the coils is separately modeled, has been developed. By switching between 2D and 3D analyses and between 1-slot and 1-pole models to accelerate the calculation method and by automating them in parallel, the developed technique even enables non-experts to build an accurate high-frequency equivalent circuit of a motor. Based on the accuracy verification, the shared voltage of coils can be estimated with an error of 20% or less by considering the frequency characteristics of the resistance and inductance of each turn of the coils and modeling a lead wire in the measurement setup. 2022 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

关键词： 可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组   电磁场   稀疏波   粘性接触波   边界层   复合波   稳定性  

摘要： 本文主要考虑了可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组.该方程组是由Navier-Stokes方程组通过洛仑兹力与Maxwell方程耦合得来的,是描述导电流体(气体)在电场和磁场相互作用下运动的基本模型,具有非常广泛的物理和工程背景.关于Navier-Stokes-Maxwell方程组的数学理论是偏微分方程领域的研究热点之一,目前还有许多尚未解决的问题.其中Navier-Stokes-Maxwell方程组关于解对非常数状态的大时间渐近行为结果很少,尤其是对非线性波的稳定性.本文主要研究了一维可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组Cauchy问题以及外流问题相关非线性波的稳定性.具体来说,本文的主要内容如下:·在第二章里,研究了可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组Cauchy问题的整体解在小性条件以及介电系数有界的假设下关于稀疏波是渐近稳定的.Navier-Stokes-Maxwell方程组的耗散结构比可压缩Navier-Stokes方程组的更为复杂.在处理流体的双曲-抛物系统基础上还需要考虑电磁场的效应.通过挖掘Maxwell方程的结构,我们找到了电场和磁场的一个组合重积分耗散好项∫0t∫R(E+ub)2 dxdτ,以此克服由电场和磁场本身重积分正则性损失所带来的困难.·在第三章里,研究了可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组Cauchy问题的整体解对粘性接触波与两个稀疏波的复合波的大时间渐近行为.基于在拉格朗日坐标系下对Maxwell方程特殊结构的新观察,我们证明了 Navier-Stokes-Maxwell方程组在初始扰动和波的强度适当小并且介电系数有界的条件下,整体解存在并对这种典型的复合波是时间渐近稳定的.主要结果的证明基于电磁场的带权能量不等式以及基本L2能量方法.该结果是可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组关于两种不同类型基本波的复合波非线性稳定的第一个结果.·在第四章里,研究了可压缩非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组在四分之一平面R+×[0,+∞)上外流问题的整体解对边界层和3-稀疏波的复合波的大时间渐近行为.我们充分运用Maxwell方程的特殊结构以及电磁场的组合边界条件去获得一些边界好项,从而在小性条件以及介电系数有界的假设下,证明了这种典型的复合波是时间渐近稳定的.该结果可以看作是非等熵Navier-Stokes-Maxwell方程组初边值问题关于两种不同类型波的复合波非线性稳定的第一个结果.

关键词： 轴向磁通永磁同步电动机   电磁场   温度场   磁极拓扑   冷却结构  

摘要： 随着中国制造2025规划的提出,节能与新能源汽车领域得到进一步的重视。本文以60 k W电动汽车用驱动电机作为研究对象,进行了电磁分析,研究电机的磁极拓扑结构和水道类型,并制造样机,进行电机实验以验证仿真分析计算的准确性。首先,进行电磁分析,研究了不同的拓扑结构、极槽配合、磁极结构、绕组绕制型式和绕组的每槽导体数对轴向磁通永磁同步电机电磁性能的影响。并将样机在空载和额定负载时的磁密云图进行对比。其次,为了降低永磁体的涡流损耗,进行电机磁极拓扑结构的研究。按照实测变频器供电的电流波形,计算电机损耗,并将所得的结果与正弦波电流激励得到的电机损耗进行了对比。建立样机的三维模型,介绍仿真分析的理论基础、边界和求解条件,对样机的温度场进行分析,以提供一个比较的基准。将永磁体进行径向等长度、径向等体积和周向等体积分段,研究考虑实际变频器供电永磁体分段后的电密和涡流损耗。结合降低涡流损耗的效果和经济性综合分析,优选出永磁体的分段数。在优选分段数的基础上,考虑永磁体之间粘接胶的影响,分析三种磁极分段拓扑结构的温度场,并与永磁体未分段时电机的温度进行对比。再次,为了得到高效的冷却结构,从螺旋型、半螺旋串联型和半螺旋并联型水道出发,对比了三种冷却结构的流速、进出口压差和温度。通过对电机的冷却效果和冷却设备的性能需求进行分析,优选出螺旋型水道。针对螺旋型水道的结构参数,进行了包括注水流量、横截面轴向长度和横截面径向长度的分析,得到不同的水道结构参数对进出口压差、电机电磁部件的温度和水道温度的影响。然后,为提高电机的功率密度留有设计余量,并且要求注水流量和进出水口截面不变。综合考虑电机定子侧和转子侧的散热,充分利用机壳端盖的轴向空间,提出了螺旋水道并联轴向Z字形水道和螺旋水道并联径向Z字形水道的水道冷却结构形式。将这两种水道与螺旋水道进行流速、进出口压差和温度的对比。最后,制造样机,搭建实验平台进行样机的电磁和温升实验,验证了三维电磁场和温度场仿真计算的准确性。

关键词： 隐身   变换光学   远程隐身   双层隐身   超表面   电磁幻觉   全息成像技术  

摘要： 隐身作为一种神奇的物理现象,一直是人类长久以来的梦想。本世纪以来,研究者们开始使用拥有人工电磁结构的材料来控制物理场。这些人工电磁结构可以通过设计微型单元结构的方法来实现,也可通过匹配多种自然界中已存在的材料来制备。本文主要针对当前隐身领域存在的一些问题,开展了一些前沿探索研究,主要成果如下:1.三维双层全向隐身器件的实验验证。目前稳恒电流场隐身器件的工作多限于二维或柱形情况,且电阻网络模型不能直接应用于自然界块体材料(bulk material)的隐身场合中。为解决以上问题,本文作者实验实现了一种类比于电磁场散射相消模型的三维全向隐身器件。该种隐身器件使用了人工设计的双层结构,所有组成材料都是均匀各向同性材料,可以由成熟的工业制造工艺完成。通过边界条件的匹配,各层与物体、背景材料相互抵消对背景电流场的“扭曲”效应,最终达到物体隐形的目的。由于稳恒电流场不存在电磁波中的高阶散射分量,这种隐身器件不需要满足电小条件,其人工结构部分可以非常薄。这项工作率先将稳恒电流场隐身器件的实验实现推进至三维。2.基于多重变换光学的远程隐身器件实验验证。为了解决经典变换光学理论隐身器件需包裹被隐身物体的问题,本课题组提出了多重变换光学法,可以实现全向远程隐身。但这一方法引入了介电常数与磁导率均为负数的材料,实验实现也较为困难。本文利用稳恒电流场中的电阻网络人工电磁结构,设计了多重变换光学法下所需的多种均匀各向异性电参数材料与等效负电阻材料。对原有的多重变换光学模型进行优化后,本文搭建了稳恒电流场远程隐身器件实物。这项工作成功实验证明了远程隐身模型的正确性。3.超表面灰度全息幻觉隐身器件。超表面是一种二维的人工电磁结构,有着尺寸小、厚度薄、易于共形等优势。为了发挥超表面对电磁波精密调控的优势,可以不止将被隐身物体从探测器下隐藏,而在探测器中产生一个其他物体的电磁幻觉,即幻觉隐身器件。本文通过在超表面的人工电磁结构单元中加入可以连续调节电容的变容二极管,设计了一种灰度可调节超表面。这种超表面可以使用数字信号处理设备对人工电磁结构的相位响应进行实时编程控制,实时还原某一实际不存在物体的电磁特征,在探测器中形成相应的电磁幻觉图像。

关键词： CO2   Electrochemistry   Local concentration   Scanning electrochemical microscopy  

摘要： Efficient, sustainable chemical reactions will play a large role in addressing many growing issues, including alternative energy production, greenhouse gas conversion, and pharmaceuticals. Electrochemical reactions are attractive due to their relatively mild reaction conditions and direct use of electricity. The understanding and design of the local liquid-solid interface will guide future progress in electrocatalytic reactions. Over time, nature has evolved many highly efficient reactions through enzymatic reactions. These long-studied catalysts provide complex reaction environments that: 1) enhance interaction with reactants, 2) protect intermediates from side reactions, 3) increase the rates of reactions, and 4) selectively react to a specific product. The overarching lesson to be learned is that the local reaction environment plays a large role in the catalyst’s reactivity, selectivity, and efficiency. One way to characterize the local environment is through scanning electrochemical microscopy (SECM), in which a small electrochemical probe is rastered over an interface. A quantitative correlation of the probe response to concentration provides a direct measurement of the local environment. The presence of the SECM probe itself can induce changes in the local environment. Comparing the changed local environment (in situ) to what it would be without the probe present (operando), shows large differences of up to 120% under specific operating conditions. A few physical parameters such as the surface site geometry are shown to have an impact on how significant the probe effects are. Additional parameters such as the tip geometry and tip-surface separation are also to have an impact. A finite element method (FEM) simulation informed by experiments is used to examine the above-mentioned tip effects. It is found that fitting responses to other frequently used electrochemical measurements, such as approach curves and CVs, to parameterize the model appropriately describes

关键词： 小方坯   连铸   数值模拟   温度场   电磁场  

摘要： 在钢的连铸生产过程中,工艺参数对钢坯的产品质量有着深刻影响,合理的连铸工艺是生产质量优良的连铸坯的重要保障。电磁搅拌是广泛应用的连铸生产技术,借助在铸坯的液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢水的运动,由此强化钢水的对流、传热和传质过程,从而控制铸坯的凝固过程,对提高产品质量具有积极的作用。本文以山西太钢不锈钢股份有限公司小方坯连铸为对象,通过对不同连铸工艺参数及电磁搅拌作用下的连铸过程进行模拟分析,重点研究了小方坯连铸过程中的宏观传输现象。本文利用ANSYS有限元数值模拟软件,建立仿真模型,主要对三个部分进行了模拟计算,一是探究了未施加电磁搅拌作用时,连铸过程受拉坯速度、过热度和冷却条件等工艺参数变化时温度场、凝固场的变化;二是研究了电磁搅拌器电流频率和电流强度对铸坯内磁感应强度及电磁力的影响;三是通过合电磁场、温度场和流场的多物理场耦合模拟,对施加电磁搅拌作用下的连铸过程稳态时铸坯中心温度、液相穴长度、坯壳生成等现象进行了全面分析。研究结果表明:减小拉坯速度、降低过热度、增加冷却换热系数能够加快小方坯的连铸凝固进程,促进热交换;磁感应强度和电磁力主要产生于电磁搅拌器的作用区域,电流强度增强,则磁感应强度和电磁力增强,电流频率因集肤效应,会对磁感应强度产生一个最大作用值;电磁搅拌力越大,铸坯内部金属液波动越剧烈,凝固进程越快,电磁搅拌器的使用能够提高拉坯速度的可行范围最大值。通过本文的研究,以提高小方坯连铸质量为目标,能够为企业连铸高效率、高质量的生产提供可靠的理论依据。

关键词： 电磁场   等离子体响应   单腿线圈   RMP线圈   神经网络  

摘要： 对于未来大型托卡马克装置(如,ITER等)中的等离子体的高约束参数运行,I型边缘局域模(edge localized modes,ELMs)对偏滤器靶板等面向等离子体部件具有极大的威胁。在I型ELMs的单次爆发过程中,存在大量粒子和热流的沉积。利用等离子体外部扰动线圈中的电磁场,可以改变等离子体边界的扰动场分布,从而对ELMs实现外部干预。由于等离子体对电磁场具有屏蔽作用,因此研究外加电磁扰动对ELMs影响的核心是研究等离子体对外部线圈提供的电磁场的响应。本文研究了等离子体对两类外部线圈提供的电磁场的响应。一类是利用扰动电磁场对ELMs主动控制的外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation,RMP)线圈,另一类是托卡马克装置中具有其他功能的,但对ELMs会产生额外作用的外部线圈,如EAST装置鱼尾偏滤器中的单腿线圈。位于偏滤器靶板后方的单腿线圈提供的电磁场一方面可以改变X点附近的磁场分布,从而增加偏滤器的湿区面积,降低III型ELMs带来的单位面积上的热负荷;另一方面,电磁场也会对等离子体边界上的扰动磁场分布产生影响。在现有的线性磁流体程序MARS-F的基础上,加入单腿线圈的模块,依托EAST装置,分别计算环向模数n=1,2,4,5的等离子体对下单腿线圈和上单腿线圈提供的电磁场的响应。结果表明,等离子体对单腿线圈具有全局性的类扭曲-剥离模响应。此外,在下单零结构中,将单腿线圈安装在顶端比安装在底端时引起的等离子体响应更强。利用RMP线圈控制I型ELMs已经成功应用于国内外多台托卡马克装置。对于放电过程中的动态平衡,未来实验与工程上的实时自动控制需要快速的物理计算模型,但如有限元等传统的离散数值求解偏微分方程组的方法无法满足需求。同样依托EAST装置,针对单排RMP线圈下环向模数n=1的情况利用神经网络建立了等离子体响应关于等离子体电阻和环向旋转角速度的代理模型,据此得到了等离子体响应关于电阻和旋转的协同变化关系。不同于前人的研究,由于根据代理模型可以实现细致地采样,观察到了存在与等离子体响应总体变化规律不一致的局部区域。此外,也建立了环向模数n=1的等离子体对单排RMP线圈的响应关于线圈极向中心位置和极向覆盖宽度的神经网络代理模型。根据此模型,得到了RMP线圈的最优几何参数。