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关键词： 夸克胶子等离子体   相对论磁流体力学   纵向加速度效应   电磁场   角动量粘滞流体力学  

摘要： 在温度大于1012K的早期宇宙中,由质子和中子组成的普通物质被溶解成夸克和胶子组成的等离子体。这种原始物质状态被称为夸克-胶子等离子体(QGP),可以通过相对论重离子对撞机(RHIC)和大型强子对撞机(LHC)的相对论重离子对撞对其特性进行研究。研究QGP的理论基础是强相互作用的色SU(3)规范理论,即量子色动力学(QCD)。为了使QCD预言和实验数据之间建立联系,必须开发一套描述相对论重离子碰撞中产生的热致密物质时空演化的一般框架。相对论流体力学辅以合适的初始条件是已知的这样一个框架。近年来,理论上和实验上都认识到了在假设完美QGP流体之外考虑耗散效应的重要性。我们首先介绍热力学基本定律和推导将在本论文后面用到的热力学关系。接着,简要回顾了相对论理想流体力学并推导理想流体守恒流的一般形式和其运动方程。利用流体力学四维速度的定义,给出了协变热力学关系。利用热力学第二定律推导出Navier-Stokes理论的协变版本。本文讨论了相对论Navier-Stokes理论存在的一些问题,即理论的因果性和不稳定性。我们也回顾了 Israel-Stewart理论,并展示如何从热力学第二定律推导因果流体力学方程。非对心重离子碰撞会产生极强的磁场和巨大的轨道角动量。在相对论重离子碰撞实验RHIC能量下,对撞产生的磁场预计高达1018高斯,在大型强子对撞机LHC能量下,磁场将高达1019高斯。这种瞬变电磁场在夸克胶子等离子体的流体力学描述中可能产生各种新的效应。在强磁场背景下,需要引入流体和磁场的耦合方程以及磁场的演化方程,于是流体力学模型将会扩展成相对论磁流体力学(MHD)。首先介绍了相对论磁流体和相对论理想磁流体力学的基本知识。然后,介绍了1+1维相对论理想磁流体力学中Bjorken流解析解的工作,该工作也是我们第一个工作的理论基础。中间快度区域束流方向膨胀的夸克胶子等离子体可以用1+1维Bjorken流较好的描述。这导致末态粒子谱平坦的快度分布,但与RHIC和LHC的观测结果不一致。而且,实际情况下,中间快度的能量密度比Bjorken流下降得更快。虽然Bjorken解被广泛使用,但流体力学的纵向膨胀动力学似乎能够为初始能量密度的估计和末态的描述提供更真实地估计。因此,我们研究了均匀横向磁场下1+1维相对论磁流体力学的纵向加速度效应,并且给出了特殊状态方程下能量密度的解析解和一般状态方程下能量密度的数值解。结果表明纵向加速度参数、磁场衰减参数、初始磁化参数和状态方程参数对系统能量密度演化有不寻常的效应。最后,也介绍了含磁化效应的均匀横向磁场背景下1+1维相对论磁流体力学中Bjorken流解析解的工作,该工作也是我们第一个工作的理论基础。此外也介绍了相对论耗散磁流体力学的工作,这个工作对我们第三个工作有一定启发意义。接着介绍了反常流体最早期的工作,通过热力学关系可以确定一些输运系数,而且这块内容是目前的新动向。接着我们详细介绍了我们的第二个工作,由含纵向加速度的1+1维相对论电阻磁流体力学模型给出了电磁场解析解和能量密度分布的数值解。该研究表明,由于电磁场的存在,流体能量密度比Bjorken流下降得更快,即能量流到大快度区域。受到自旋流体力学有关工作的启发,基于粘滞流体的理论基础,我们将其推广到角动量粘滞流体的初期理论领域,基于理想流体引入一阶耗散量来描述粘滞流体,其中用到匹配条件、耗散量张量分解、速度场的定义等标准粘滞流体推导技巧,并通过热力学第二定律推导出角动量粘滞一阶流体理论,希望提供一种能解释Λ超子极化效应的流体力学模型。

关键词： 极低频电磁场   神经细胞   促分化   膜电位  

摘要： 神经系统在哺乳动物中的重要性不言而喻。而神经细胞受到物理性或内源性的损伤后,往往无法进行有效的自我修复。细胞整体呈现萎缩和凋亡的状态,从而严重影响整个神经系统的功能性和完整性。神经细胞无法得到有效的修复和激活,相关的疾病也没有较为彻底的临床治疗手段。目前,已有包括干细胞调控、药物干预等多种方法可以对神经细胞的分化进行定向诱导。但是,这些诱导方式往往具有成本高、副作用大、效价评估难以及操作复杂等弊端。特定频率、强度的磁场具有促进细胞生长分化的作用。但是,几乎没有关于电磁场对于不同生理状态下细胞的诱导对比效应报道。在神经退行性病变细胞模型中,细胞往往处于高氧化应激和养分缺乏的状态,其代谢特征与正常神经细胞相比有显著的差异。因此本论文主要研究使用ELF-EMF(1 mT,50 Hz)针对不同代谢状态的细胞进行诱导,使其处于不同的生理状态(正常,饥饿)条件下接受ELF-EMF刺激,观察ELF-EMF暴露对SH-SY5Y细胞的影响,并构建ELF-EMF促进SH-SY5Y细胞生长、分化模型。其次利用膜片钳技术检测ELF-EMF刺激后细胞膜电位的变化,由此说明电磁场对不同生理状态神经细胞的诱导差异性。本文的主要结论:(1)磁场对SH-SY5Y细胞的促生长作用:将细胞分别置于ELF-EMF中1、4、和24 h,随着细胞暴露时间的延长,细胞活性会随之上升。在诱导4 h后,神经细胞的活性已经有了显著性提高。(2)磁场对两种细胞的增殖诱导效应:ELF-EMF诱导能够促进神经细胞内营养物质的代谢,继而促进细胞的生理活动。但是,对于代谢障碍的神经细胞而言,这一诱导效应在短时间内可以维持细胞的生理状态,却无法进一步促进细胞的生长和增殖。(3)磁场诱导与增殖分化的内在原理:细胞膜电位、线粒体以及特定的生长相关调控蛋白与电磁波诱导具有密切的关联性,证实电磁波可以通过特定的细胞信号转导途径对神经细胞的生长和分化进行诱导和调控。

关键词： 脉冲电磁场   间充质干细胞   成骨细胞   破骨细胞   机制  

摘要： 第一章 PEMF治疗骨质疏松的生物学效应的系统评价 目的: 通过体内体外实验研究脉冲电磁场(Pulsed electromagnetic field,PEMF)治疗骨质疏松的文献报道较多,但系统评估PEMF治疗骨质疏松的生物学效应的文献较少。因此,本部分将通过对PEMF治疗骨质疏松的相关文献进行系统评价,为探索PEMF治疗骨质疏松的优化参数研究提供循证医学证据。 材料和方法: 检索PubMed、Embase和Web of Science的数据库,根据纳入排除标准,纳入通过体外体内实验研究PEMF治疗骨质疏松的相关文献,提取数据并使用SYRCLE偏倚风险评估工具和ARRIVE指南评估其方法质量及报告质量。 结果: (1)纳入啮齿类动物中骨质疏松研究24篇,其中23篇研究显示了 PEMF对骨质疏松的积极作用,仅有一项研究未能证明PEMF的抗骨质疏松的作用。纳入成骨生成相关的体外细胞相关研究20篇,皆显示了 PEMF具有促进成骨细胞生成作用。纳入破骨生成相关的细胞相关研究10篇,皆显示PEMF在抑制破骨细胞生成方面的积极作用。(2)文献中报道的PEMF治疗参数异质性较大(频率、强度等),其中啮齿类动物研究中治疗频率主要集中在15Hz(10篇)、8Hz(2篇)、50Hz(2篇)和7.5Hz(2篇),强度范围主要集中在0.1mT-2mT及3.8mT-4mT之间。在成骨生成相关细胞研究中,频率主要集中在15Hz(7篇)、50Hz(6篇)和75Hz(5篇),普遍使用强度集中在0.1mT-2mT及2mT-1T之间。在破骨生成相关细胞研究中使用最多的频率为15Hz(4篇)、8Hz(2篇)、50Hz(2篇)和75Hz(1篇),使用的强度范围在0.1mT-1mT之间。(3)纳入的啮齿类动物研究方法学质量尚可,20篇研究的总分处于5-7分之间,报告质量平均分为16.8。但由于研究之间报告的方法和数据存在较大异质性,无法对数据进行Meta分析,故仅做系统评价。 结论: 在不考虑PEMF参数异质性的情况下,PEMF在体外具有促进成骨细胞生成、抑制破骨细胞生成的作用,在啮齿类动物体内可改善骨质疏松引起的骨量丢失。但PEMF干预方案异质性较大,还需要设计、探究标准的以及优化的PEMF治疗参数,以便能更好的探究其生物学效应及潜在的治疗机制。 第二章 PEMF治疗骨质疏松的优化参数及其生物学效应的研究 目的: 通过体内体外实验研究PEMF治疗骨质疏松的文献较多,但PEMF存在频率、场强等“窗口”效应,不同频率、场强的PEMF,其生物学效应不同。目前仍然没有统一的可以达到最佳治疗效果的参数或者标准。因此,本研究主要通过体内体外实验,探究PEMF治疗骨质疏松的优化参数及其生物学效应。 材料和方法: (1)根据系统评价结果及结合本课题组前期数学预测模型、计算机数学模型仿真已预测的数据,筛选出PEMF治疗骨质疏松的潜在的优化的干预参数组合。 (2)通过体外实验验证上述PEMF优化参数对成骨细胞生成、破骨细胞生成的生物学效应。具体方法为:提取小鼠骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cell,BMSC),经流式细胞术及茜素红染色鉴定后将第三代BMSC分为成骨诱导组、成骨诱导+PEMF(50Hz,1.6mT)组、成骨诱导+PEMF(75Hz,1.6mT)组及成骨诱导+PEMF(15Hz,2mT)组共四个组。诱导7天后进行ALP染色、活性分析及成骨相关基因(ALP、OCN、RUNX2)的表达检测。诱导14天后进行茜素红染色及定量分析以评价细胞成骨矿化能力。破骨前体细胞RAW264.7通过RANKL诱导分化为破骨细胞的过程中给予PEMF干预,分为 RANKL 组、RANKL+PEMF(50Hz,1.6mT)组、RANKL+PEMF(75Hz,1.6mT)组及RANKL+PEMF(15Hz,0.5mT)组共4组。诱导7天后进行TRAP染色、TRAP定量分析及破骨相关基因(CTSK、NFATc1、TRAP)的表达检测。 (3)通过体内实验验证筛选出的PEMF优化参数治疗骨质疏松小鼠,观察其生物学效应。将三月龄雌性C57小鼠去除卵巢建立OVX模型后给予不同参数PEMF干预。小鼠分为假手术Control组、OVX组、OVX+PEMF(8Hz,1.6mT)组、OVX+PEMF(50Hz,1.6mT)组及 OVX+PEMF(75Hz,1.6mT)组共 5个组,干预一个月后进行股骨micro-CT扫描、病理切片和染色、骨转化标记(CTX、P1NP)的检测及胫骨干骺端成骨和破骨相关标记物(ALP、OPN、RUNX2、CTSK、NFATc1、TRAP)的检测。 结果: (1)体外作用于BMSC的潜在优化的干预参数组合为:PEMF(50Hz,1.6mT)、PE

关键词： 电动汽车   轮毂电机   电机设计   电磁场   磁热耦合  

摘要： 电动汽车是未来汽车研究和发展的主要方向,具有广阔的市场前景。其驱动系统关键技术的发展近年来成为了研究的热点。相较于其它驱动形式的电动汽车,采用轮毂电机驱动的电动汽车由于集轻量化、电动化、集成化、高效化和空间布置合理化于一体,更具优势。轮毂电机作为电动汽车动力输出的核心部件,对其结构和工作性能要求很高。又由于其工作环境特殊,温度控制和机械强度问题同样不容忽视。因此,对轮毂电机的电磁结构设计、电磁场、温度场以及机械结构强度的分析研究具有重要的现实意义。本文以电动汽车永磁同步轮毂电机为研究对象,对轮毂电机进行设计研究。主要研究内容和结论如下:(1)首先结合所设计轮毂电机的技术要求,对常见轮毂电机驱动方式、磁路结构、永磁体性能以及电机相关参数等进行分析计算,设计出一台选用钕铁硼N30UH永磁材料的48槽46极六相双层短距分布叠绕组式的6.8k W永磁同步轮毂电机样机。(2)在ANSYS Motor-CAD软件中建立样机电磁场仿真模型,对电机内部电磁场进行仿真分析。结果显示,电机内部磁场分布均匀合理,未出现磁饱和现象,整体来看电机的磁路设计是合理的。电机负载运行时电磁转矩在144～146N·m区间内小范围地波动,符合电机设计的要求。结果表明轮毂电机电磁设计合理,满足电机设计要求。(3)为保证电机机械结构在运行时能够达到实际工况的机械强度需求,对电机进行机械结构仿真。仿真结果显示,当轮毂电机在额定转速和设计最高转速之间运行时,其所受的最大机械应力为4.31(6,远低于硅钢片屈服强度370(6和钕铁硼永磁体屈服强度80(6,轮毂电机机械结构设计合理,满足机械强度要求,能够确保电机安全运行。(4)建立温度场有限元仿真模型,并将热源损耗作为激励耦合到温度场仿真模型中,对轮毂电机温度场进行仿真分析。分析结果表明,在电机内部温度场中,绕组的最高温度达到了113.2℃,永磁体温度为63.6℃,最高温度均低于其允许最高工作温度。轮毂电机的材料选择合理,符合设计要求,能够满足电机正常工作。(5)对试制出的样机进行样机试验,试验结果表明样机设计合理,符合设计要求。

关键词： 动磁式直线压缩机   永磁体侧吸   板弹簧   电磁场   有限元分析  

摘要： 脉冲管制冷机在国际上已经成为空间红外制冷的主要趋势，直线压缩机是其关键部件。相比于动圈直线压缩机，Redlich型动磁直线压缩机的推力更大、散热更好、污染物更少、寿命更长、重量更轻并且理论上可以做到效率更高，但动磁压缩机的主要问题是动子的径向力较大，动磁直线压缩机只有在优化动子支撑结构并优化磁轭结构减少铁损后，综合性能才可能超越动圈式直线压缩机，因此研究用于动磁直线压缩机的大径向刚度的板弹簧具有十分重要的意义。主要内容包括:　　(1)动磁直线压缩机永磁体的侧吸特性分析　　针对Redlich型动磁直线压缩机特有的永磁体径向力问题进行了深入探讨，使用解析法和有限元分析拟合两种方法得出了永磁体静磁侧吸力的规律，得到了永磁体在磁轭气隙中径向受力与径向偏移量、永磁材料剩磁大小、永磁体直径、永磁体厚度和气隙厚度的关系。测试了自主研发的永磁体在气隙厚度中占比75％的实验样机永磁体每偏移0.1mm产生17N径向力。讨论了充磁不均匀、加工误差和装配误差等因素造成初始径向力的计算方法，以及组装设计和组装方式对动磁压缩机活塞侧向力的影响。　　(2)板弹簧特性分析及大径向刚度长行程板弹簧设计方法　　动磁压缩机更大的径向力特性需求更大径向刚度的板弹簧设计方法。利用曲梁模型阐述板弹簧轴向和径向变形机理，得出了旋臂扫角减小时，径轴向刚度比显著增加，但许用行程减小的关键结论。首次提出等效力作用点用来分析板弹簧旋臂变形，推导出基于等效力及其作用点的范式应力计算公式。针对旋臂扫角较小的高径向支撑能力的涡旋板弹簧行程较短的问题，通过旋臂截面最大应力公式关于的反函数结合有限元分析迭代求出合理的旋臂宽度分布，得到均匀应力首次分布的旋臂形状迭代设计法。给出了具体算例，结果表明应力沿弹簧臂均匀分布浮动不超过3％，行程提高17.2％。采用伸出式夹板结构的曲梁臂板弹簧相比于相同平面构型普通夹板的板弹簧根部应力更小，得到曲梁臂夹板最佳固定朝向与旋臂内外边缘曲率差异关系密切，一般满足伸出角60°～80°的结论。针对动磁压缩机样机的特定需求，设计制造了1453N/mm大径向刚度、±5mm长行程、60％内孔直径占比的大内孔结构板弹簧。　　(3)板弹簧组支撑系统性能分析　　板弹簧组支撑系统中每片板弹簧和被支撑动子的位置关系对整体支撑性能影响较大。单片板弹簧抗力矩能力很弱，弹簧组的抗力矩能力主要来自径向刚度和弹簧间距。推导出弹簧组支撑系统变形解析式和保证间隙密封要求的单片板弹簧最小径向刚度计算公式。设计弹簧组实验装置并证明了弹簧组变形公式的正确性。给出了满足全部需求参数保证弹簧组体积最小的无量纲选型判据设计法，设计方法中径向刚度不再仅仅是校核参数。　　(4)基于大径向刚度板弹簧的动磁直线压缩机的设计与实验　　基于上述大径向刚度板弹簧和板弹簧组的研究结果，研制了一台动磁直线压缩机。首先建立了动磁直线压缩机的静态磁路模型和动态电磁场模型。其中静态磁路模型采用自洽且更准确的筒形气隙磁阻表达式代替了不自洽的板型气隙磁阻表达式，并从永磁体电流元理论和电动机发电机等效理论角度理解Redlich型电机原理，给出了磁弹簧刚度表达式。其中动态电磁场模型的等效电路模型比动圈式磁路结构复杂很多，其中铁损等效电阻和等效电感不再是固定值，而是频率和结构的函数。利用压缩机动子的动力学模型，结合脉冲管及惯性管的简单机理模型，设计了压缩机的主要参数和匹配调节方法。实验中，电磁推力系数为，其衰减刚好不会出现在实际使用区域，证明了磁轭设计较为紧凑;磁弹簧力与解析式和有限元模拟结果基本一致;对比线圈通交流电造成的铁损和电感在切槽前后不同频率不同电流大小下的差异，证明切槽手段减少铁损的有效性与局限性;压缩机分别与40Hz和80Hz两种脉冲管冷头连接测试，输入功率在100W～250W情况下测试了压缩机的效率和各损失比例。　　(5)动磁直线压缩机动子运动阻尼的分离与测量　　为了判断动磁压缩机板弹簧的支撑效果，需要分离干湿混合阻尼下活塞振动衰减曲线中的干摩擦。干摩擦阻尼除了和支撑系统、加工精度有关，还与活塞、气缸和板弹簧的装配调节工艺关系密切。推导出混合阻尼衰减曲线包络线的表达式，表达式拟合实验数据求出待定系数分离出干摩擦力的大小。实验结果表明，板弹簧机械阻尼为0.75N·s/m，电磁阻尼为8.83N·s/m，气体阻尼可以忽略不计，调节后不存在干摩擦阻尼，证明支撑系统、加工精度和装配调节都满足要求。

关键词： 大型半速核能汽轮发电机   端部电磁场   过磁通   铁芯片间电压   端部铁芯电磁模拟装置  

摘要： 为解决国内外大型汽轮发电机长期以来存在的端部铁芯过磁通烧熔故障机理揭示与有效防治问题,保障我国自主研发大型半速核能汽轮发电机零故障安全稳定运行,本文依托国家科技重大专项课题“大型半速饱和蒸汽汽轮机、大型汽轮发电机等设备关键共性技术研究”(编号:2010ZX06004-13)、“CAP1400半速汽轮发电机研制”(编号:2012ZX06002-17)的要求,采取理论研究-试验验证-工程应用的技术路线,针对此类故障的形成机理与防治措施,开展了深入研究,主要研究内容及相关创新性成果如下:其一,以端部区域铁芯背部的漏磁通和片间电压作为研究重点,综合考虑端部轴向漏磁场透入深度、磁场饱和、非线性等关键因素,建立了包括机座定位筋在内的端部结构件、线圈、多段端部铁芯及通风沟等全三维有限元模型,完整包含了端部铁芯烧熔故障常见发生区域。进而针对电机磁路复杂的特点及有取向硅钢片在不同方向导磁性的差异,测试了有取向硅钢片磁性材料在不同方向磁化参数,解决铁芯冲片各向异性对漏磁场的影响,为过磁通及端部漏磁场的准确求解奠定了理论方法基础。在此基础上,针对不同定转子长度匹配方案、不同运行工况,开展了端部三维电磁场计算,获取了端部漏磁场三维空间分布规律,并结合真机实测验证,揭示了端部铁芯轭部过磁通机理,提出了不同材料铁芯磁密限值,形成了新型设计规范。其二,基于端部电磁场计算结果,对铁芯冲片片间电压形成机理与计算方法进行了理论分析与研究,综合考虑定子铁芯冲片感生涡流、冲片流向定位筋电流以及机座中的电流、冲片与定位筋接触电阻等影响片间电压的重要因素,提出了大型汽轮发电机铁芯片间电压的计算方法,并据此研发出工业应用计算软件包。进而通过大量对比计算,发现了冲片与定位筋接触电阻大小及平衡度对片间电压的影响规律,揭示了导致端部铁芯片间电压增大的机理,提出了漏磁危害抑制及高电磁负荷端部新结构,形成了一套铁芯与定位筋系统电磁匹配新技术。为解决端部结构安全设计难题、预防端部铁芯过磁通烧熔故障,保障大型汽轮发电机运行安全,提供了理论依据与技术支持。其三,针对端部结构复杂、三维时变运动电磁场仿真模拟的难题,克服了真机型式试验测试数据不全、不深、不透的的局限性,研制出大型发电机端部电磁模拟装置,实现了不同结构型式、不同容量、不同运行工况下铁芯端部复杂电磁场的1:1真实模拟,填补了国内空白。在此基础上,对国产CAP1400大型半速核能汽轮发电机端部交变电磁场、铁芯内部磁场、轴向漏磁场、片间电压、定位筋电流等进行1:1模拟复现,进而构建起大型发电机端部电磁、结构等高精度交叉校验的技术体系,有效实现了大型发电机端部电磁物理状态参数的数值计算与试验测试的交叉检验。本文的研究成果,已通过国家重大科技专项课题验收,并在东方电气集团东方电机有限公司研制的CAP1400、华龙一号等多个重大工程上得到成功应用,切实提高了机组设计的可靠性和先进性,为我国实施核电“走出去”战略、开拓海外市场提供核心技术支持,取得了良好效果。

关键词： 非反应性保护渣   电磁场   流入行为   传热行为   润滑行为  

摘要： 非反应性连铸保护渣是一种用Al2O3代替传统连铸保护渣中Si O2的Ca O-Al2O3基连铸结晶器保护渣,主要应用于高铝高锰钢连铸生产。目前,电磁技术广泛应用于连铸工艺中。在高铝高锰钢电磁连铸过程中,高温下保护渣呈现离子结构,具有一定导电性,在电磁场下势必受到磁场的力效应、磁能效应、热效应的影响,导致其高温结构及理化性能发生变化,影响连铸过程顺行。因此,掌握电磁场下非反应性连铸保护渣冶金行为是高铝高锰钢电磁连铸顺行的关键。利用磁场施加方法、渣柱变形法、旋转黏度计和红外发射装置,研究了高频磁场下非反应性保护渣的冶金特性。结果发现,磁场强度在80～120 m T范围内时,非反应性保护渣的熔化温度、熔化区间、黏度和转折温度均随磁场强度的升高而升高,热流密度随磁场强度的增加先降低再升高。通过磁场分布数学模型,结合磁场下的弯月面形状、流场、凝固传热和润滑的数学模型,建立了高频磁场下结晶器内连铸保护渣冶金行为数学模型。结果表明,结晶器内磁场分布不均的根本原因是由于切缝内铜壁对磁场的反射作用;切缝应设计为下窄上宽型,长度应保持在180～200 mm、宽度应保持在0.8～1.0 mm,并多开切缝。磁场频率应保持在20～30 k Hz。合理的液面应尽量控制在线圈中心或偏上位置。采用高频磁场下结晶器内连铸保护渣冶金行为数学模型研究了高频磁场下非反应性保护渣的冶金行为。结果表明,弯月面在电磁力下拓宽了渣道,钢液在电磁力的作用下减弱了对坯壳的冲刷,增加了对水口的冲刷,有利于液渣的顺利流入。弯月面底部三相区过大的电磁力导致液渣在弯月面处发生偏移或者形成涡流。在电磁力下渣池内形成了上下“双涡流”流场,对渣池起到了很好的搅拌作用。在电磁力作用下钢液回流区的铸坯温度降低,坯壳厚度增加。在焦耳热作用下铜板冷、热面温度增加。在高频磁场下,渣膜内的热流峰值增加了约60.8%,液渣厚度增加了约29.0%,渣道动压峰值升高了约34.9%,最大压差升高了约23.5%,渣耗量峰值增加了约28.4%,液渣摩擦力峰值下降了约7.6%。图67幅;表4个;参137篇。

ISBN: (纸本)9787111692546

关键词： 双水内冷发电机   有限元分析   涡流损耗计算   时谐仿真   参数化建模  

摘要： 国民经济快速增长、人们对电力的需求不断增加,随着材料及制造工艺不断改进,大型发电机的单机容量不断持续增长。通常情况下主要采用两种方法来提升发电机的容量,增大发电机线性尺寸和增加电磁负荷。第一种方法,由于转子挠度及定子运输尺寸会对容量产生较大的影响,具有一定的局限性,实施起来有很大的困难。因此在工程应用中主要采用第二种方法,但是随着端部漏磁和涡流损耗的增加,会带来大量的热。发电机散热问题制约着发电机容量的提升,处理好发电机散热问题可以使发电机效率大大提升。本文以双水内冷发电机为研究对象,主要对发电机端部涡流损耗问题以及优化磁屏蔽厚度降低成本问题进行探索研究。首先,建立了发电机端部电磁场的数学模型。对发电机端部涡流场的数学原理进行了详细推导分析,同时结合发电机端部实际结构,建立了包括边段铁心、齿压板、压圈、磁屏蔽、定子线棒、转子本体、转子线圈在内的端部三维实体模型,为研究涡流损耗快速计算方法作前期准备;其次,提出了新的涡流损耗计算方法,采用稳态的时谐仿真代替了传统的瞬态仿真,节省了大量时间,同时对压圈进行分块建模,实现了压圈各部分分块损耗数值的提取,研究了不同压圈材料对发电机端部涡流损耗的影响,对现场电机进行压圈温度实测,以及多种机型仿真横向分析,验证了时谐仿真方法的可行性与准确性,为工程设计提供了参考;最后,探索磁屏蔽厚度的改变对端部损耗的影响,以降低磁屏蔽制造成本为目标,提出了参数化建模方法,实现快速建模,研究了不同磁屏蔽厚度情况下,各部件的损耗,结合经济性指标,选取合适的磁屏蔽厚度,为电机降低成本提供一定参考,具有较强的工程应用价值。

关键词： 时谐麦克斯韦方程组   时谐磁通密度方程组   亥姆霍兹方程   Allen-Cahn方程   自适应有限元方法   变换光学理论   互补介质   信息开放的隐身装置   完美匹配层方法  

摘要： 自适应有限元方法是现代计算科学与工程中用来求解偏微分方程的一种高效数值方法,并逐渐成为一个重要的研究领域,其中后验误差估计子为自适应算法的设计提供重要的反馈.重构型后验误差估计子一般基于超收敛恢复技术来构造,因其构造简单、具有鲁棒性且易于编程实现等优点受到广大学者的青睐.本文研究频域电磁场问题基于重构型后验误差估计子的自适应有限元方法.接着,我们将自适应有限元方法推广到亥姆霍兹方程以及Allen-Cahn方程,本文的主要内容主要包括以下四个部分:第一部分:研究超材料中时谐麦克斯韦方程组的自适应棱有限元方法.首先提出重构型和残量型两类后验误差估计子,基于此设计自适应棱有限元方法,并应用于反向波、电磁分离装置、旋转装置、集中装置的模拟.最后,给出数值算例来验证我们提出的后验误差估计子是可靠的、有效的.第二部分:基于变换光学理论和互补介质的思想,我们对信息开放的隐身装置提出可靠有效的等级分层设计方法.首先,基于线性与非线性坐标变换,可得到信息开放的圆柱形隐身装置的材料参数.接着,我们分别对这两种装置采用等距分层与等级分层来简化材料构造.最后,通过大量的数值模拟,我们得出:基于非线性坐标变换得到的信息开放的圆柱形隐身装置,采用等级分层设计方法可以在较少层数下得到具有良好隐身性能的信息开放的隐身装置.第三部分:因为磁通密度B是物理上关心的基本量,其地位相当于电场E.现阶段关于磁通密度B的数学理论和数值算法还很少,因此本文建立如下的时谐磁通密度模型方程:进一步,我们推导其与完美匹配层方程耦合的模型方程.基于霍奇分解方法,将它们转化为两个标量椭圆型边值问题,并给出相应的误差分析.最后,通过数值算例来验证理论分析结果并求解出物理中的两个基本场B和E的近似解.第四部分:我们将自适应有限元算法推广到声波问题与相场中的Allen-Cahn方程.一方面,我们考虑线性、非线性声学材料介质的声波传播问题.基于残量型与重构型后验误差估计子,针对不同介质中的亥姆霍兹方程,通过大量数值算例来验证自适应算法的有效性.另一方面,针对相场中Allen-Cahn方程,我们提出一种自适应算子分裂方法.首先,将Allen-Cahn方程分裂为线性方程和非线性方程.对于线性方程,我们使用Crank-Nicolson格式将其离散化并通过有限元方法求解.对于非线性方程,我们可以精确求解,减少计算量,提高算法效率,基于超收敛点团恢复技术与前后两层网格的相对误差,分别构造Allen-Cahn方程的空间与时间方向误差估计子,设计了 Allen-Cahn方程的自适应算法,最后通过数值算例来验证自适应方法的有效性.