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关键词： 强耦合等离子体   量子流体动力学模型   二维电子气   尾流效应   阻止本领  

摘要： 带电粒子与二维自由电子气相互作用是表面物理学中的重要研究内容,也是典型的等离子物理、固体物理和核物理领域的交叉课题。随着现代微电子技术的快速发展,研究固体表面的性质显得越来越重要。带电粒子与二维自由电子气相互作用的研究在材料表面的镀膜、刻蚀和改性方面以及半导体、集成电路的大规模生产方面具有重要的应用。除此之外,在研究物质表面的性质方面,利用入射的带电粒子作为探针来探测物质表面的性质也是带电粒子与二维自由电子气相互作用研究的重要应用领域。本文首先介绍了电磁场调制的带电粒子与二维自由电子气相互作用的研究背景。重点介绍了带电粒子与二维自由电子气相互作用中带电粒子受到的阻止本领、二维自由电子气的扰动密度以及尾流势的研究历史。结合目前电磁场调制的带电粒子与二维自由电子气相互作用的理论和实验研究进展,介绍了本文的研究内容。在第二章中,首先简单介绍了由Wigner方程推导出量子流体方程的方法,得到了量子流体模型的连续性方程、动量平衡方程和泊松方程。然后我们采用量子流体模型,推导了带电粒子与二维自由电子气相互作用时二维自由电子气的扰动密度和带电粒子受到的阻止本领。接着,我们引入交换关联势对量子流体模型进行了修正,计算了引入交换关联势后二维自由电子气的扰动密度和入射的带电粒子受到的阻止本领。研究发现,交换关联势修正后的量子流体模型更精确了。在第三章中,我们使用修正后的量子流体模型,研究了振荡电场对带电粒子和二维自由电子气相互作用的调制。研究发现,振荡电场的波长、振幅和相位对带电粒子的阻止本领和二维自由电子气的扰动密度有明显的调制作用。随着振荡电场的强度的增加二维自由电子气的扰动密度和带电粒子受到的阻止本领振荡的幅度也增强了。并且由于振荡电场具有周期性,二维自由电子气的扰动密度和带电粒子受到的阻止本领也会周期性的振荡。在第四章中,我们使用量子流体模型,研究了稳恒磁场对带电粒子和二维自由电子气相互作用的调制。研究发现,沿-z还是沿z方向对二维自由电子气施加磁场并不影响二维自由电子气的扰动密度和入射的带电粒子的阻止本领。稳恒磁场的磁场强度对带电粒子的阻止本领和二维自由电子气的扰动密度有明显的调制作用。随着稳恒磁场磁场强度的增加,二维自由电子气的扰动密度的值逐渐下降了,但是二维自由电子气扰动密度的振荡周期增加了。带电粒子受到的阻止本领随着稳恒磁场磁场强度的增加则下降了。在二维自由电子气上施加强稳恒磁场可以作为一种减少二维自由电子气扰动密度和入射带电粒子受到的阻止本领的有效手段。

关键词： 气体放电   等离子体   有限元分析  

摘要： 近年来气体放电在材料、环境、热核聚变、等离子体等前沿科学领域存在突出的表现及潜力,其主要研究带电粒子在电场中运动规律和应用,因此广受学者们的关注然而气体放电涉及多种学科,物理过程十分复杂,使得其直接的理论研究通常比较困难,同时高额的实验成本和苛刻的实验条件,也使得气体放电实验进行较为困难。这些因素导致了人们对气体放电中许多关键的物理现象的物理机制掌握不够全面,很大层面上限制了相关领域的发展。近年来,计算机模拟技术的快速发展,为解决气体放电相关问题提供了新的途径。大气压下的气体放电容易产生丝状放电,在很多领域要求我们产生稳定均匀的等离子体,本文在实验室现有条件下,主要通过对大气压下氩气放电电磁场进行有限元分析,找到氩气放电从汤森德放电向流注放电转化时的相关规律,通过对相关参数的控制,避免氩气放电向流注放电发展,使得氩气在一定条件下稳定均匀放电。首先对气体放电的相关理论、有限元分析方法进行介绍,首先针对氩气放电有限元分析进行前处理,建立氩气放电数学模型,将氩气放电的几何条件、边界条件等转换为数学方程,其中包括电子连续性方程、离子连续性方程、传输方程、电场泊松方程,在数学模型的基础上,继续定义几何区域、几何属性、确定求解域、设置相关参数,建立氩气放电一维仿真模型,完成有限元分析的前处理部分,通过有限元方法求解微分方程,在直流条件下,实现了对氩气放电行为的模拟,获得放电过程中电子密度、离子密度、电场等空间分布数据,剖析了氩气放电产生等离子体的相关特性,分析了氩气放电初始电子崩从阴极发展到阳极、正离子撞击阴极发射二次电子以及放电发展到负流注的过程,与气体放电汤森德理论和流注理论相印证。分别分析以下三种情况下氩气放电形式的转变:(1)施加直流电压;(2)施加直流电压,加介质层;(3)施加交流电压,加介质层。对以上三种情况的氩气放电等离子体的特性进行分析,得到了氩气放电形式转变时电压与时间的关系曲线,并将这条曲线看做氩气放电从汤森德形式转变为流注形式的临界条件曲线。进行氩气放电实验验证仿真分析结果,将实验结果与仿真结果进行对比分析,证明了仿真模型是正确的,因此仿真结果是有效性得到了验证,进一步在经过实验验证的仿真上,根据不同电压下,放电系统的输出响应,获得放电系统的控制模型,通过权重系数法,获得任意阶跃下的放电系统模型,采用比例微分环节对系统进行控制,增大阻尼,减小超调量,改善了放电系统的动态性能。

关键词： 风电齿轮   感应加热   温度场   温度演化   电磁场   温度均匀性  

摘要： 风能已经成为我国重要的能源构成之一,并且由于其具有清洁可再生的优势,在未来的能源结构中将占有更高比例与更重要作用。风电传动齿轮是风电机组的关键传动零件,其制造成本与运维成本高昂。感应热处理是风电齿轮表面强化的最佳选择,而大型关键构件的感应热处理是我国热处理亟需解决的问题。风电齿轮的感应热处理需要获得沿齿廓均匀分布的硬化层,以及全齿宽的均匀淬硬。然而,目前感应淬火齿轮的齿根位置以及端面位置是处理的薄弱区域,易产生淬火软点和软带。感应加热是决定风电齿轮感应热处理质量的关键过程之一,良好的加热结果是保障表面强化质量的前提,温度的均匀性至关重要。因此,本文进行了大模数风电齿轮的感应温度场演化过程以及温度均匀性的研究,将为提高感应加热质量提供研究依据与分析方法。首先,揭示了感应加热的风电齿轮的内部温度场形貌,以及导磁体的作用规律。文中建立了风电齿圈静态感应加热的有限元模型,并通过实验进行了验证。针对V形感应线圈的加热过程进行分析,明确了内部温度场的形貌及演化过程,并对温度场边界形貌进行表征,发现了加热过程加热中心截面最高温度点发生迁移的现象。同时,量化了(47)形导磁体结构参数的作用效果,并提出了磁热能力系数Mc,作为导磁体对风电齿轮加热速度能力的描述。进一步,明确了感应器结构在风电齿轮感应加热过程中的作用。根据感应器的设计原理与要求,分析了不同结构感应器加热的过程与效果。发现不同结构的双层线圈感应器在齿轮表面形成具有一定相似性的温度形貌,但演化过程存在着显著不同,将影响最终强化结果。分析了不同时刻的电磁场分布,确定温度与电磁变化间的相互作用。同时还对感应器的关键结构参数进行分析,明确参数的作用结果。再进一步,确定了风电齿轮扫描感应加热温度场的动态演变过程。针对(47)形结构感应器与直齿风电齿圈,建立了扫描感应加热的仿真模型。分析了感应器运动过程中齿轮温度场演变过程以及扫描速度对温度场形貌影响,发现了风电齿轮扫描感应加热全过程温度场滞后的现象,以及磁感应强度前置现象。同时,还对齿宽方向上不同位置的加热效果进行探究。进行了强化结果的实验研究,分析了相变层深度、硬度分布等情况。最后,明确了风电行星斜齿轮感应加热时温度演化过程,以及加热进程中的温度均匀性变化。研究了风电齿变速箱行星斜齿轮感应加热过程。分析了静态加热与动态加热时齿轮的温度分布,发现了温度分布显著的偏置现象。分析了温度分布和演化过程,量化分析线圈高度、扫描速度对温度场形成的影响。分析了斜齿轮齿廓与端面的加热结果,以及温度非均匀分布的原因。

关键词： 静电纺丝   磁透镜   联合仿真   纤维直径   纤维膜均匀度  

摘要： 纳米纤维正朝着强度更高、密度更低、直径更小、分布更均匀的方向发展,而静电纺丝作为一种简单有效的制备纳米纤维的方法,其生产的纳米纤维膜具有诸多特殊性能,并已被广泛应用于锂电池隔膜、生物传感器、摩擦纳米发电等重要领域。但由于目前静电纺丝过程中喷射流的非稳态运动严重,导致静电纺丝产品仍存在的纤维膜平均直径大、分布不均匀等缺点,已无法满足纳米纤维膜批量生产以及一些领域对高质量纤维膜的新要求,严重阻碍了静电纺丝纤维膜在各领域的进一步应用与发展。因此,为减小纳米纤维膜平均直径、降低纤维膜分布不均匀,提高静电纺丝成丝质量,本文基于磁透镜技术、数学工具和有限元分析相结合的联合仿真技术,提出一种引入辅助磁透镜的静电纺丝装置,并以目前常用的励磁线圈式静电纺丝装置作为参照,研究磁透镜磁场对射流非稳态运动以及纤维成丝质量的影响。主要研究内容如下:(1)提出一种新型的磁透镜静电纺丝装置针对目前静电纺丝中存在的问题,本文根据磁透镜的电子聚焦原理,结合磁透镜技术与静电纺丝技术,将磁透镜对电子的聚焦效应用于调控静电纺丝带电射流的非稳态运动中,并分析非稳态运动与纤维直径之间的关系,设计并搭建了一种磁透镜静电纺丝装置。(2)使用联合仿真的方法对磁透镜静电纺丝装置仿真分析由于静电纺丝过程复杂且影响因素多,软件仿真是最常用于研究静电纺丝过程的方法。为保证仿真结果的正确性,本文使用数学软件结合有限元分析软件的联合仿真方法。首先在静电纺丝喷射流的串珠模型中使用Matlab软件计算出喷射流的运动轨迹;然后在COMSOL Multiphysics中计算磁透镜静电纺丝的非均匀电场和磁场的仿真结果,对比磁透镜纺丝装置与另外两种装置对带电粒子束的约束作用;最后在Matlab中读入COMSOL Multiphysics的仿真结果并重新计算磁透镜静电纺丝装置喷射流的仿真轨迹。结果表明,相较其他磁场装置磁透镜对带电粒子束的约束作用更明显,降低了带电射流的摆动幅度,对静电纺丝过程中的非稳态运动有很好的调控作用。(3)对仿真结果进行实验验证对传统针-板式、励磁线圈式、磁透镜式三种静电纺丝装置设计对照实验,以质量分数为12wt%的PAN/DMF溶液为实验原料,探究三种装置对纳米纤维膜非稳态参数(纤维膜宽度、射流摆动角)和关键质量指标参数(纤维膜平均直径、纤维膜均匀度)的影响。实验结果表明,三种装置中磁透镜静电纺丝对纤维膜的非稳态运动有更好的调控作用,对纤维膜的关键指标参数有更好的优化作用,实验结果与仿真结果相符合。实验中,磁透镜静电纺丝在质量指标的提升上要优于励磁线圈静电纺丝,磁透镜静电纺丝的纤维膜直径的标准差最高可以比传统针-板式静电纺丝降低55.7%,平均纤维直径最高可降低8.7%,因此磁透镜静电纺丝技术是对传统静电纺丝技术的提升与改善。

关键词： 自转旋翼飞机   轴向磁通电机   电磁场   温度场   电机设计方案   样机制造  

摘要： 自转旋翼飞机是中小型低空载人航空领域的主要飞行设备之一,在军用和民用方面均具有独特的优势。传统的自转旋翼飞机采用燃油发动机进行驱动,其飞机振动噪音大、红外特征明显、环境污染严重等问题十分突出,在实际应用中亟待解决。论文设计一款满足自转旋翼飞机驱动要求的轴向磁通电机,对于自转旋翼飞机优势的发挥无疑具有一定的理论意义和工程应用价值。首先,介绍了全电动自转旋翼飞机的结构和起飞原理,并根据自转旋翼飞机的技术要求,分别对轴向磁通电机的性能参数及相关尺寸进行计算,在此基础上对电机主要部件结构和电磁方案进行详细设计。其次,根据初始设计的轴向磁通电机参数,基于电磁场基本理论且利用ANSYS Maxwell软件对轴向磁通电机电磁方案进行仿真验证,分别对轴向磁通电机的三维静磁场、空载反电动势和负载运行特性进行了分析,旨在验证电机的气隙磁密分布和磁通路径是否符合设计要求。随后,对轴向磁通电机齿槽转矩进行优化,分别改变极弧系数和斜极角度进行仿真计算,旨在确定出较为合理的极弧系数和斜极偏移角度。再次,根据温度场基本理论,分别对轴向磁通电机的热源类型和温度场参数进行分析与计算,然后使用Star CCM+软件对轴向磁通电机温升特性进行分析,固定工况下绕组最高温度为89.0℃,温升为68℃,进一步改进水道,采用波纹型水道结构,旨在降低绕组最高温度。最后,根据设计要求分别加工电机各个零部件并组装,完成轴向磁通电机样机制作,并建立样机测试实验台,分别对电机空载反电动势、电磁转矩和温升特性进行测试。藉由轴向磁通电机实验和软件分析结果,对照自转旋翼飞机用轴向磁通电机设计指标,证实自转旋翼飞机用轴向磁通电机设计方案的合理可行性。

关键词： 三相PMSM   失磁   温度场   电磁场   故障诊断   有限元分析  

摘要： 永磁同步电机(PMSM)相比于其他传统的非永磁类电机,具有很多优点,例如不需要励磁装置、更高的效率、更高的功率因数等。正因为PMSM的这些突出的优点,使得其广泛应用于各行各业以及各种工作场合。然而,PMSM中永磁体却极易发生故障,通常在PMSM故障中,失磁故障占比高达70%以上,因此,对于PMSM失磁故障分析显得尤其重要。本文以一台小型表贴式PMSM为主要研究对象,从电磁场分析和温度场分析两个角度分析永磁体失磁故障下,电机内部电磁变化和温度变化。简述分析内容如下:首先,采用Maxwell有限元仿真软件进行仿真,通过已有PMSM参数数据建立电机有限元电磁仿真模型,采用有限元分析的方法,对电机进行电磁场分析,同时将电机模型中的永磁体的最大磁感应强度和矫顽力设置为百分比改变来模拟永磁体的百分比失磁。建立PMSM失磁故障模型。分析不同失磁状态下三相PMSM的电磁输出数据。然后,根据已分析出来的电机电磁数据,得到不同失磁程度下的气隙磁密曲线、感应电压电流、电机定子绕组铜耗、铁芯损耗和齿槽转矩等一系列电磁输出数据的变化规律。为故障诊断提供重要依据。最后采用得到电机的不同负载下的定子线圈欧姆损耗和定子铁芯的涡流损耗作为实验故障电机的热源,通过ANSYS Workbench平台对电机二维温度分布进行耦合分析,然后将电机转子永磁体失磁故障模型,进行温度场仿真分析,得到不同失磁故障状态下的温度场分布状态。并通过提取气隙磁密特征量和定子温度特征量建立失磁故障预警系统。

关键词： 高中物理   科学推理能力   变式教学  

摘要： 科学思维又是物理学科核心素养的重点,科学推理是科学思维的重要组成部分,是教育研究的热点。很多学者研究发现我国学生的科学推理能力有待提高。本研究的主要目的是探讨如何通过变式教学促进学生科学推理能力的提高。本研究的内容分为四个部分。第一部分为绪论,介绍问题的由来、文献综述、研究目的及研究路线等;第二部分为理论探讨,采用文献研究法,界定了变式教学、科学推理能力等概念,以建构主义的教学观、变异理论以及能力理论等作为本研究的理论基础;第三部分为调查研究,首先对调查的设计进行了探讨,之后以带电粒子在匀强电磁场中的运动为例调查了历年高考试题对科学推理能力的考察情况以及高二学生科学推理能力的发展情况。调查结果显示,虽然我国高中物理阶段重视对比例推理、相关性推理、假设演绎推理以及组合推理等科学推理能力的考察,但是学生在这些方面仍均有欠缺;第四部分为教学设计。依据第二部分调查研究的结果确定了教学内容,依据变式教学理论、APOS理论等确定了若干教学原则以及教学策略。之后以组合推理、比例推理以及假设演绎推理为例进行了教学设计。

关键词： 新课标   高中物理   电磁场教学   改革策略  

摘要： 随着课程改革进程的不断推进,电磁场相关的知识内容作为高中物理的重要组成部分,在授课过程中高中电磁场教学也成为教学工作的重中之重。新课标指出,高中物理教学不仅应帮学生养成良好的物理观念,还应通过物理教学过程培养学生的核心素养。本文针对新课标下高中物理电磁场教学改革路径进行探究并提出一些策略以供参考。

关键词： 激光熔覆   交变电流   裂纹   显微组织   残余应力  

摘要： 对于高硬镍基合金来说,由于激光熔覆急冷急热的特点,造成镍基合金涂层中温度分布不均匀,残余应力较大,熔覆层容易开裂,影响试样的使用寿命。因此,如何改善涂层的应力,降低熔覆层的开裂敏感性,对于提高激光熔覆涂层的质量具有重要意义。本文在工业纯铁基体表面进行激光熔覆过程中,同步施加稳态磁场和交变电流,通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）等方法研究了电磁场对熔覆层组织的影响;利用维氏显微硬度计、电化学腐蚀、摩擦磨损等研究了熔覆层的性能;采用X射线衍射法进行了残余应力测量;同时利用渗透探伤检测了熔覆层的开裂情况。研究结果如下:（1）熔覆层中长条状的析出相被打碎,组织细化,气孔的数量减少;硬质相Cr B的数量增多,组织分布均匀。但电磁参数为0.2 T+1600 A时,焦耳热作用较大,组织粗化;外加电磁场不会改变熔覆层的物相组成,主要包括γ-Ni、Cr B、Cr7C3以及Ni3B。（2）随着电磁参数的增大,熔覆层显微硬度先提高后降低,在0.2 T+1200A时平均显微硬度最大,为885.9 HV0.2;施加电磁场辅助激光熔覆后,自腐蚀电位先增大后减小,自腐蚀电流密度先降低后升高,在0.2 T+1200 A时熔覆层的耐蚀性最好;无电磁场辅助激光熔覆时,涂层的磨损量和摩擦系数最高,耐磨性差,施加电磁场辅助激光熔覆后,涂层的磨损量和摩擦系数先减小后增大,在0.2T+1200 A时达到最低,涂层的耐磨性得到提高。（3）熔覆层表面和结合处为残余拉应力,热影响区为残余压应力。随着电磁参数的逐渐增大,熔覆层中的残余应力先降低后升高,最优参数作用的熔覆层表面残余拉应力为59.5 MPa,结合处的残余拉应力为50.7 MPa,热影响区的残余压应力为4.3 MPa。（4）在不施加电磁场作用时熔覆层的开裂倾向最大,逐步增大电流强度后,裂纹数量得到降低;在电磁参数为0.2 T+1200 A时,熔覆层中无裂纹出现,说明了电磁场能够有效改善涂层的开裂倾向。

关键词： 超低场磁共振   边界元法   射频线圈   头部成像  

摘要： 出血性脑卒中是我国人民面临的主要健康威胁,具有发病急促、病情变化迅猛、致残率高和致死率高等特点,“早发现、早处理”的床旁监测是病患一直以来的需求。磁共振成像技术相比于CT在脑卒中医学临床诊断中具有无创和无辐射的优势,低场磁共振相比于高场磁共振又具有小型、轻量的特点,这些都决定了低场磁共振十分适合应用于床旁监测。低场磁共振设备在小型化以及轻量化的同时,也会导致磁场强度的急剧下降,进而使得磁共振信号减弱。射频接收线圈的功能为接收磁共振信号,而微弱的磁共振信号易收到噪声干扰,因此射频线圈性能非常重要。本文采用了边界元法(BEM)的逆问题计算方法,计算出线圈布线区域上流函数分布与成像目标区域的磁场分布之间的映射关系,根据目标磁场分布、再结合头部射频接收线圈的设计要求,以求解逆问题的方式算出射频线圈的线径,形成了一套完整的射频线圈设计方法。仿真验证线圈性能后,制作出所设计的射频接收线圈,并在50m T超低场磁共振成像系统中完成成像实验,并对成像结果进行分析。论文的主要工作如下:(1)射频线圈的边界元设计方法研究。本文介绍了边界元法在射频线圈设计方面的应用,直接建立起流函数与目标磁场的映射矩阵,根据所需要的射频场要求,从逆问题的角度出发计算线圈结构。在计算时,引入正则化参数和正则化矩阵,将期望磁场与计算磁场的方差作为优化目标,将流函数解的平滑度作为罚函数,通过正则化参数来调整权重,从而得到理想的射频线圈结构。(2)成像目标区域偏离线圈几何中心的射频线圈研究。为了能够容纳所有病患的头颅,射频线圈尺寸设计较大。将成像目标区域偏离线圈的几何中心,定位于豆纹动脉出血区,将射频能量从整个脑部集中在这一区域可以增强该区域的信号、提升该目标区域的均匀度。并对计算所得线圈进行仿真,确认了目标区域均匀度的提升,验证了逆边界元法的计算效果。(3)低场磁共振系统成像研究。制作所设计的射频线圈实物,对线圈进行阻抗匹配后,首先进行成像验证实验,选取水模进行成像,得到水模样品横断面的成像结果。验证了射频线圈性能后,进行人头部成像实验,将逆边界元法线圈与螺线管线圈成像结果进行对比,发现成像目标区域均匀度有提升。成像对比实验中均匀度有提升,这证明了边界元法在设计成像目标区域特殊的射频线圈时具有有效性。本文所设计的射频线圈可以用于在2MHz的低场磁共振成像系统中成像,但所成图像有亮底,需要在未来的研究中进一步增强信噪比。