教学课程资源库 更多>>

关键词： 电磁场   黄丝藻   转录组   资源化   微生物菌群分析  

摘要： 微藻在开放培养体系生长过程中会受到环境因素、生物因素如轮虫、细菌等微生物的影响,为了提高微藻生长速度及克服微生物污染等问题,在微藻培养过程中引入电磁场干预。电磁场作为物理加工手段,具有成本低、无化学物质等优点,它们正成为刺激微藻细胞生长代谢、提高生物量累积的有效手段。实验选择易于采收的黄丝藻（Tribonema sp.）为藻种,其油脂含量丰富,试图通过电磁场干预手段促进微藻生长,以及将其应用在食品化工综合废水资源化处理中,论文主要内容如下:（1）探究不同电场、磁场及磁/电复合场强度对Tribonema sp.的影响,研究发现电场强度在0.3 V/cm-0.6 V/cm范围有促进藻生长的迹象,在场强为0.6 V/cm时生物量较高,与对照相比提高6.26%,而当场强在0.9 V/cm时,生物量下降;磁场干预没有显著提高生物量累积;复合场24 h/d-0.6 V/cm、1 h/d-0.6 V/cm组生物量与对照相比分别提高12.8%、21.54%,磁/电复合场干预处理下化合物含量变化较明显,其中碳水化合物含量可以提高23.08%。（2）通过转录组学测序方法,对不同电磁场干预下Tribonema sp.代谢通路基因差异表达情况分析,从脂质代谢、糖代谢和色素合成途径探讨。研究表明,不同电磁场干预下Tribonema sp.代谢途径相关酶基因表达发生显著差异,结果与化合物提取含量具有一致性。磁/电复合场干预下调控差异表达基因数目远远大于电场和磁场,其中复合磁/电场处理组1 h/d-0.6 V/cm干预促进脂肪酸的生物合成,弱化β-氧化过程;复合场1 h/d-0.6 V/cm与电场0.6 V/cm干预下相比,促进糖异生进程,提高碳水化合物累积。在1 h/d-0.6 V/cm干预下,胡萝卜素增加,与对照组、电场0.6 V/cm处理组和磁场1 h/d处理组相比分别增加15.9%、5.82%、3.1%。（3）探究电磁场干预黄丝藻在食品化工废水资源化利用。结果表明,不同电磁场处理下COD去除率在76%-82%范围,总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）去除率在90%以上,对于废水中难降解苯环类物质,当电场场强增大时,去除率可以达到90%以上,磁/电复合场干预下降解率可提高;采用高通量测序技术,探讨不同电磁场干预下黄丝藻开放培养系统中微生物菌群多样性,表明磁/电复合场与电场、磁场干预下相比,菌群结构变化显著,电场有利于黄杆菌属（Flavobacterium）丰度累积,磁/电复合场对废水中菌群丰度影响剧烈,同时促进弯曲杆菌属（Ancylobacter）丰度逐渐增加。

关键词： 微机器人   亥姆霍兹线圈   麦克斯韦线圈   磁驱动系统   均匀磁场   梯度磁场   靶向给药  

摘要： 随着微机器人在生物医学领域的应用潜力逐渐被开发出来,例如药物输送、靶向治疗、微创手术等,微机器人的无线驱动方法也越来越吸引学者们的关注。此外,电磁场驱动对生物体无害,能够穿透深层组织,并且通过改变输入电流可以生成实时受控的动态磁场,因此可控磁场驱动已被广泛运用于磁性微机器人的驱动控制当中。迄今为止,现有的可控磁驱动系统可以主要分类为(1)基于永磁体的磁驱动系统,(2)基于电磁线圈产生的梯度磁场磁驱动系统,(3)基于亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场磁驱动系统,(4)基于电磁线圈产生的旋转磁场磁驱动系统。为了能够成功应用于生物医学领域,响应快、精度高、转向灵敏的磁驱动系统必不可少。目前磁场发生装置结构复杂,微机器人响应速度慢,对机器人位置控制不精确,尤其对于微机器人转向的控制需要进行复杂的电流计算。针对上述问题,对电磁线圈驱动系统作出改进,提高磁驱动系统的性能,具有重要的研究意义和价值。本文创新性提出了使用单对亥姆霍兹和麦克斯线圈以及旋转台实现微机器人二维驱动的磁场控制平台;基于所构建的磁控平台,进行了一系列基于位置信息反馈自动控制实验,验证了所设计磁驱动系统的有效性,并开展了应用于靶向给药等实验研究。所提出的新型磁控平台解决了以往磁场装置对微机器人转向控制不精确和转向响应速度慢的问题,也对现有磁控系统装置的功能改进,并有望将其应用到更复杂的生物医学领域实验中。本论文对以下几个主要方面进行了深入研究:磁驱动基本原理和三维电磁场的数学建模。首先介绍磁现象本质和磁驱动基本原理,研究了微机器人在磁场环境下所受到的磁扭矩和磁力的机理,以实现微机器人精确可控和灵活转向为目标,分别对理想亥姆霍兹线圈,理想麦克斯韦线圈以及其组合线圈模型产生的磁场进行数学建模计算。根据建模计算的结果,分析了理想亥姆霍兹线圈产生均匀磁场、理想麦克斯韦线圈产生梯度磁场的特性,提出采用单对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的组合以及旋转平台在操作空间范围内产生混合旋转可控电磁场的设计思路。混合可控电磁场驱动系统的设计和实验平台的搭建。首先根据现有磁场平台的参数,以驱动微机器人所需的磁场大小和实际的操控空间范围为参考,根据三维线圈磁场数学模型,计算出磁场驱动所需的线圈匝数,半径以及铜丝直径,然后以三维线圈结构的设计准则,设计出实际的三维电磁线圈模型。利用仿真软件COMSOL多物理场,对三维电磁线圈所产生的磁场进行有限元仿真分析,根据仿真的结果,分析了亥姆霍兹线圈和麦克斯韦产生的磁场特性,并验证了三维线圈电磁场的数学模型。根据亥姆霍兹和麦克斯韦线圈在空间内产生磁场的分布和范围以及对组合线圈的混合磁场的旋转特性分析,优化线圈尺寸结构参数,设计出采用旋转平台与三维线圈的组合产生旋转可控电磁场的磁驱动系统,最后根据设计的磁驱动系统搭建磁控微机器人的实验操作平台。磁控微机器人的设计与制备。研究了磁控微机器人的制造工艺,探索出利用复合模具的制造方法来批量制造微机器人。为了验证所设计的混合可控电磁场驱动系统的性能,设计了具有对称结构的微机器人:方形,三角形,球形,有利于在磁驱动的过程中微机器人的稳定性和便于动力学建模。根据自然界微生物的启发,设计了基于永磁体嵌入弹性体方式的仿生游泳机器人。进一步地,面向靶向给药和癌症治疗的生物医学领域研究,设计了载药运输机器人,用于在模拟血管环境内靶向给药。微机器人的设计与制作为接下来针对微机器人进行大量的实验奠定了基础。微机器人的磁驱动控制实验。首先对微机器人建立动力学模型,重点分析了微机器人在液体环境下运动过程中的主要受力情况,包括磁力,阻力,重力和浮力。设计了基于位置信息反馈闭环控制算法,通过所提出的微机器人自动控制策略,微机器人可以沿着期望的路径自动运动,包括三角形,矩形和其他复杂的字母型路径,实验验证了所设计的磁驱动系统的性能以及所提出的控制算法的适用性。基于所设计的磁驱动系统的特性和优势,开展了包括微机器人仿生游泳实验、微机器人载药运输实验和模拟靶向给药实验在内的一系列应用于生物医学领域的实验。所设计的磁驱动系统是对现有磁控系统装置的功能改进和完善,并有望将其应用到更复杂的生物医学领域中,微机器人磁驱动控制实验为医疗成像、癌症治疗、靶向给药等医学临床应用的研究提供新的研究方法和思路。

关键词： 随钻测量   电遥测钻柱   智能钻杆   电磁耦合接头   等效电路模型   电磁仿真  

摘要： 电遥测钻柱将随钻测量得到的钻井和地质参数通过智能钻杆级联形成的钻柱高速率传输至地面,智能钻杆的电磁耦合接头类似于高频变压器,用于布线钻杆之间高频电磁信号的耦合连接,但其电压传输函数严重影响电遥测钻柱信道的信号传输特性,因此有必要对电磁耦合接头的信号传输进行相关的理论分析研究。电磁耦合接头等效电路的建立及电路参数的确立是信号传输函数建模的关键,通过电磁耦合接头的电磁仿真分析可以建立电路参数与耦合接头磁芯材料电磁参数之间的等效关系,对于耦合接头信号传输的理论分析至关重要。本文基于NDT的电磁检测分析方法研究磁芯材料中涡流的产生机理及涡流与耦合线圈之间的相互作用机理,对磁芯产生的能量损失影响做出合理的电路等效,建立电磁耦合接头的高频等效电路模型,通过电路分析建立耦合接头的输入阻抗、电压传输函数及功率传输函数的数学模型;运用COMSOL软件对电磁耦合接头进行电磁场仿真分析,研究磁芯结构及参数对电路参数的影响;在确定电磁耦合接头结构的基础上,将仿真分析结果与输入阻抗及电压传输函数数学模型相结合,通过数学分析及MATLAB的反演计算,建立磁性材料的电磁参数与电磁耦合接头电路参数的等效关系,对磁芯材料电磁参数及信号频率影响下的电压传输函数及功率传输函数进行数值计算与分析,并通过与电磁仿真结果的对比评估电磁耦合接头等效电路的建模效果。研究表明,电磁耦合接头的电压传输函数及功率传输函数的计算结果与电磁仿真分析结果基本一致,说明所建立的等效电路模型的正确性;磁芯的相对磁导率选为50左右比较有利于信号传输;磁芯电导率对于电压传输的影响非常小,故选取磁芯材料电磁参数时可以不考虑材料的电导率;频率大于3MHz后,电磁耦合接头的功率传输函数值均高于95%,说明高频情况下磁芯产生的涡流损耗对功率传输的影响较小,利于信号的长距离传输;电磁耦合接头的电压传输特性呈现较为明显的低通特征,对高频信号的传输不利,必须要对信道的传输特性进行相应的补偿以满足频带信号的传输要求。本文的研究可以为智能钻杆的电磁设计及电遥测钻柱信号传输特性的改善提供理论指导。

关键词： 隧道   富水构造   瞬变电磁   矢量有限元   场响应特征   超前判识  

摘要： 随着“川藏铁路”“川藏高速”“滇中引水工程”等一些世界级重大工程的不断投入与建设,我国隧道工程重心逐渐转向以高地应力、高地温、高水压、强岩溶、多活动断裂为特征的地质环境异常复杂区域。隧道重大地质灾害中涌突水灾害诱发的事故约为45%,易造成重大人员伤亡和恶劣社会影响,是隧道施工过程中最具挑战性的问题。然而,针对隧道富水超前预报,传统预报方法主要对地质界面的间接预报,对富水电性特征的直接探测研究尚存在不足、隧道复杂环境下瞬变电磁三维有限元研究成果较少。开展瞬变电磁法对隧道富水构造的响应特征规律和超前判识方法方面的研究,具有重要的理论和工程实践意义。基于此,本文以隧道富水构造为研究对象,瞬变电磁法为探测方法,充分运用现代工程地质、地球物理、统计归纳、数值模拟、对比研究等方法,从富水构造地质地球物理模型与特征、瞬变电磁有限元三维正演算法与场响应以及基于瞬变电磁特征的富水构造超前判识与应用进行深入研究,初步构建了隧道涌突水超前判识的地质地球物理融合分析框架。通过研究,获得如下主要成果和认识:(1)将隧道富水构造分为富水岩溶、富水断层和富水裂隙破碎带三大典型类别。基于案例统计得知充水岩溶类构造占51%,以溶洞溶腔、管道及地下暗河的富水构造形式为主,多形成突水突泥等形式的重大危害;富水断层类构造占总量的28%,多为富水导水断层、隔水断层构造,形成突水突泥为主的重大甚至极严重的灾害;富水裂隙破碎带类构造案例占总量的21%,主要包括褶皱构造裂隙破碎带和岩性交界裂隙破碎带。富水岩溶、富水断层和富水裂隙破碎带对富水性直接反应的电性与介电性质差异,是瞬变电磁方法的探测应用的物性基础,进而建立了与三大富水构造相对应的地电模型。(2)在隧道环境瞬变电磁法时间域矢量有限元三维正演方法研究方面。针对隧道空间小,多角度探测的局限,在网格剖分方法上采用一阶四面体剖分,可以更精准的模拟复杂地质条件变化;在数值解法上采用时间域直接求解,避免了先在频率域求解再转到时间域求解的精度降低。首先通过时域麦克斯韦方程及边界条件,进行时域电磁场控制方程推导;其次基于伽辽金加权余量法推导出矢量有限元控制方程相应的弱形式方程,并采用一阶四面体剖分单元推导出节点处的插值函数和棱边上的矢量基函数,进行单元分析。采用局部加密的非结构化网格剖分方法对隧道环境场源区和异常区域进行针对性地加密,将回线源拆分为多个电流元串联的组合方式克服源周围的奇异性,实现了的隧道瞬变电磁法场响应计算。最后采用均匀全空间模型和Newman模型进行算法正确性与精度验证,本文计算结果吻合很好,相对误差控制在2.5%和2%以内。(3)获得了隧道典型富水构造的瞬变电磁响应特征及规律。对富水断层、均匀全空前瞬变电磁场特征:磁场垂直分量随着时间向后推移,垂直磁场的正值部分随着时间的延长向外扩撒,中心极值也逐渐变小,最大值始终位于中心位置,等值线由密变稀疏,直到最终Hz强度越来越弱。瞬变电磁探测具有方向性,瞬变电磁沿着探测线圈轴线的探测方向探测,以获得最强感应场强度。从不同位置的测点曲线来看,掌子面正对的测点获得响应曲线最强,旁测测点响应随着距离的增加逐渐减弱。不同测量角度对瞬变电磁响应影响较大,模拟结果显示测量角度0°时瞬变电磁场与低阻地质体取得最佳耦合,其响应值最大。隧道轴线剖面上的瞬变电磁响应等值线轮廓基本可以描绘出富水构造的形态、位置、边界等信息。感应电动势在富水构造内呈现强响应出现极大值,与富水构造低电阻率相对应,在富水构造外侧呈现相对弱响应,出现极小值。岩体裂隙富水时,感应电动势响应会在对应区域发生小范围的高值闭合。对于富水裂隙带,其等值线呈现出多个感应电动势圈闭区域,且单个圈闭范围小,在不同角度的感应电动势剖面上呈现出较明显差异;感应电动势封闭区的形态各不相同,与溶隙、裂隙发育走向相似。瞬变电磁场受巷道内金属设备影响的主要来源是施工台车。台车距离探测线圈越近,其干扰越强,距离越远干扰则越弱。且台车在距离线圈30 m以上时,可以忽略台车对于隧道瞬变电磁场的所产生的干扰影响。(4)建立了以瞬变电磁富水电性指标和地质特征直接富水指标为主的模糊神经网络富水构造判识方法。在地质地球物理分层次多源信息约束的分析框架下,将数值模拟获得的富水构造瞬变电磁场响应特征与典型案例图像判识特征相结合,采用正演模拟进行瞬变电磁现场探测参数的辅助设计,将正演模拟应用到富水构造的超前判识过程中。最终选取瞬变电磁视电阻率图像判识特征、视电阻率统计阈值、掌子面地下水、勘察设计资料等地质特征与瞬变电磁直接判水指标主,建立基于模糊神经网络模型的富水构造超前判识方法。(5)将瞬变电磁响应磁特征、正演模拟辅助参数设计、分层次多源超前判识方法运用于天池隧道富水岩溶裂隙超前判识。正演模拟进行探测参数设计优化后采集了最佳响应数据,同时模糊神经网络增加了地质与

关键词： 电磁场数值方法   课程思政   教学改革  

摘要： 本文围绕"电磁场数值方法及其工程应用"专业特色课程的教学结合思政教育的改革进行了研究和探索。首先分析了本课程思政资源的挖掘方式和课程思政的育人目标,然后,重点针对课程的教学内容与教学方式思考和设计了典型教学案例,最后对融入思政教育的课程考核方式进行了改进,这些研究为本课程全面实施融入思政教育的教学奠定了基础。

关键词： 格子Boltzmann方法   电热对流   多孔介质   磁场   纳米流体  

摘要： 电热对流(Electro-Thermo-Convection,ETC)指受库仑力和浮升力作用引起的流体流动和热量传热问题,由于涉及到电场、温度场、流场等多个物理场的耦合,能够实现对系统流动和传热的控制,成为很多实际工业生产中急需解决的问题。格子Boltzmann方法由于具有物理图像清晰,边界条件易处理,编程简单,并行性能好等优点,适合对多物理场耦合问题进行求解,本文采用耦合LBM对电荷注入机制下电热对流问题展开了数值模拟研究工作,通过无量纲参数将电热对流问题的宏观控制方程组进行了无量纲化处理,建立了各个物理场的格子Boltzmann 模型。采用LBM方法对非均匀温度边界下方腔内的电热对流问题展开了研究,着重分析了正弦温度边界与常温边界两种不同的温度边界条件的影响,对正弦温度分布函数的具体参数:振幅A、初相位φ、波动周期N对电热对流传热机理的影响进行数值研究,分析了不同工况下的电热对流问题。结果表明:与常温加热方式相比,正弦温度边界方式产生更高的传热效率,其差异随着电瑞利数T的增加而逐渐弱化;随着T值的增大,系统会从一个稳定状态转向另一个稳定状态,腔内的流体流动强度增加,传热效率明显提高。此外正弦温度分布函数的参数对电热对流问题的流动与传热影响显著,增大正弦温度的振幅A可以提高腔内介电液体的传热水平,表现出两种不同的变化趋势。当A<0.6时,随着A值的增加,腔内的流动与传热水平增加的并不明显;当A>0.6时,腔内的流动与传热随着A值的增大显著提高。随着正弦温度函数初相位φ值的增加,系统的传热增强,在φ=90°时表现出最好的传热性能。其次,采用非正交多弛豫时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)对内含高温块的盖驱动方腔内的混合对流问题展开数值模拟,建立了流场和温度的双耦合分布的非正交MRT-LBM模型,讨论了不同冷源布置方式、盖驱动方式以及瑞利数(Ri)对腔内流动与传热的影响,对自然对流、混合对流、强制对流三种不同对流方式展开研究,结果表明:随着Ri数的增加,对应于不同的冷源布置位置,方腔内旋涡数量变化不同。不同的冷源布置方式方腔内表现出不同的传热水平。盖驱动位置和方向对腔内的流动与传热影响明显。在Ri≤1时,上下壁面同时向右移动的盖驱动方式表现出最好的传热水平。当Ri>1时,相比于其他三种盖驱动方式,上下壁面反向的盖驱动方式表现出最佳的传热性能。同时研究发现当冷源布置在方腔的上部时,其流动与传热水平较高。最后,多孔介质内流动与传热往往受到磁场的影响,通过磁场能够实现对磁流体的流动与传热过程的控制。本文采用非正交MRT-LBM方法对外加磁场下多孔介质内纳米流体流动与传热的特性展开研究,讨论了纳米颗粒体积分数、磁场强度Ha数、多孔介质孔隙率等参数的影响,进一步完善了磁流体的研究,结果表明:随着Ha数的增加腔内传热水平显著减小。在高瑞利数下随着Ha数的增加平均Nu数减少更为明显,由于磁场的存在洛伦兹力对腔内纳米流体的传热具有抑制作用,且在高瑞利下这种抑制作用更为显著。

关键词： 轮毂电机   齿槽转矩   电磁场   振动噪声   温度场  

摘要： 轮毂电机作为电动汽车核心的驱动部件,电磁性能会直接影响电动汽车的动力性能;齿槽转矩的产生会导致轮毂电机的振动和噪声;轮毂电机噪声会影响电动汽车驾驶员的舒适性;而过高的温度会使轮毂电机绝缘体老化,永磁体退磁等,最终使得轮毂电机的性能下降。因此,设计出满足电磁性能好,齿槽转矩小,振动噪声低和散热能力强的轮毂电机是目前急需解决的关键问题。本论文在江西省杰出青年人才资助计划项目的支持下,以一台车用永磁无刷直流轮毂电机为研究对象,针对上述问题展开了相关研究,本论文的主要研究内容和结论如下:(1)对电动汽车进行了受力分析,并参考电动汽车动力性三大指标以及电动汽车的主要参数确定了轮毂电机的额定功率为10 k W,额定转速为350 r/min,额定转矩为137 N*m;随后对轮毂电机的本体参数进行了计算,确定了电机类型、电磁负荷、转子结构、定子结构、定子槽型、电机绕组和气隙长度;最后在Maxwell软件中的RMxprt Design模块里对计算得到的参数值进行有效性验证,仿真结果表明:文中对于电动汽车动力性的计算数值和轮毂电机本体参数的计算数值均处于正确范围。(2)对电动汽车轮毂电机齿槽转矩的产生机理进行了推导,然后分别利用多参数耦合和定子槽型偏移的方法对齿槽转矩的抑制进行研究,仿真结果表明:利用RMxprt多参数耦合的方法,得到的齿槽转矩最小值为0.52 N*m,齿槽转矩最大值为3.96 N*m,相比于齿槽转矩最大值,齿槽转矩的最小值降低幅度约为87%;利用RSM多参数耦合的方法,齿槽转矩最小值为0.55 N*m,相比于轮毂电机原始设计数据的齿槽转矩3.70N*m,其降低幅度约为85%;利用单槽偏移的方法,偏角为4度时,齿槽转矩取得最小值为3.26 N*m,偏角为6度时,齿槽转矩大小达到峰值为5.03 N*m,相比于齿槽转矩的峰值,齿槽转矩的最小值降低幅度约为35%;利用分组偏移的方法,偏角为0度时,齿槽转矩大小达到峰值为3.70 N*m,偏角为4度时,齿槽转矩取得最小值为1.82 N*m,说明分组偏移比单槽偏移对齿槽转矩的抑制作用更显著。本文提出的齿槽转矩优化方法都能对齿槽转矩产生抑制作用,且利用RMxprt多参数耦合的方法抑制效果最为明显。(3)对轮毂电机空载和负载状态下的径向电磁力进行了详细的理论推导,通过理论分析可知:在电磁设计中,需要对电机中存在的低阶电磁力波进行优化和弱化。对轮毂电机径向电磁力进行了仿真计算,结果显示:无论空载还是负载状态,径向电磁力密度都比切向电磁力密度大得多,说明径向电磁力密度是引起电磁振荡的主要原因。对轮毂电机进行了模态分析,得到了各阶模态下轮毂电机的固有频率。对轮毂电机经行了谐响应分析,仿真结果表明:定子形变量的最大值为1.7762e-6 mm,转子形变量的最大值为1.0202e-9 mm,形变量远远小于气隙长度,所以不会出现定子和转子之间的碰撞和打磨,出现最大值时的径向力频率十分远离轮毂电机各阶模态下的固有频率,所以不会出现共振现象。对轮毂电机进行噪声仿真,仿真结果表明:距离轮毂电机1 m噪声域上点的噪声强度都小于75 d B,所以轮毂电机在运行时产生的噪声不会对驾驶员产生影响。(4)对轮毂电机的各类损耗进行了详细的研究,并在Maxwell软件中对轮毂电机的损耗进行了仿真计算,得出绕组铜损是轮毂电机温升的主要原因。对轮毂电机各部件的导热系数和散热系数进行了详细了计算,并建立了轮毂电机温度场模型进行仿真计算,仿真结果表明:最高温度出现在等效绝缘体上,为147.23℃,而本文轮毂电机H级的绝缘等级所允许的最高温度可达180℃,故可以保证轮毂电机运行时等效绝缘体的性能安全。永磁体的最高温度为99.526℃,而永磁体在高温下容易产生退磁现象,从而影响轮毂电机的运行性能,故有必要对轮毂电机进行冷却和散热研究。(5)对轮毂电机的散热方式进行了详细的阐述,确定了利用膨胀石墨/石蜡复合相变材料为轮毂电机进行散热。其次分析了膨胀石墨/石蜡复合相变材料的熔化过程,得出与其他不同材料相比,升高相同的温度,膨胀石墨/石蜡复合相变材料吸收的热量更大,因此可以作为轮毂电机的散热材料。最后对加装膨胀石墨/石蜡复合相变材料的轮毂电机进行温度场分析,仿真结果表明:轮毂电机所有部件的温度均有了明显的降低,说明使用膨胀石墨/石蜡复合相变材料对轮毂电机进行散热的合理性和可行性,其中定子降温幅度为51.814℃,降幅率为41%,等效铜导线降温幅度为54.663℃,降幅率为41%。

关键词： 双频交流电磁场检测   优选小波参数   缺陷分类判据   缺陷量化  

摘要： 交流电磁场检测是一种新兴的电磁无损检测技术,近些年才发展起来,它具有无需去除覆层、非接触、无需涂抹耦合剂等优点,因而对于水下管道的快速检测具有良好的应用前景。针对管道表面和次表面缺陷分类检测的需求,本文对双频ACFM检测技术进行了理论研究和设备开发。首先通过建立两类缺陷的交流电磁场检测有限元模型研究了高低频激励信号在试件内的感生涡流的整体分布情况,分析了激励频率和提离距离参数对检测信号的影响规律,并确定了对两类缺陷检测的最优激励频率。基于该激励频率分析了两类缺陷的磁异常信号能量差异,提出了缺陷分类判据W和EH,并根据实验数据确定了缺陷分类阈值Wt和EHt,结合提出的分类方法实现了准确的缺陷分类。最后分析了两类缺陷的检测信号的特征值与缺陷尺寸之间的数量关系,完成了对缺陷尺寸反演方程的拟合。为了在人工缺陷的检测中获得更加纯净的ACFM信号,基于多参数权衡算法确定了针对ACFM检测信号小波去噪的最优参数组合,在保留ACFM有用信号的同时实现了最佳的去噪效果,为待测缺陷的分类和尺寸反演研究提供了更可靠的信号基础。文中根据双频ACFM检测原理对信号处理盒和数据采集等软硬件模块进行了设计,最终搭建了一套双频ACFM缺陷检测平台对实际的铝制管道试件进行了缺陷扫查,实验结果表明该检测系统在陆地和水下都可以保持较高的缺陷分类和量化精度。

关键词： 仿生电磁场   癌症   糖尿病   电磁治疗   电磁场发射端  

摘要： 癌症与糖尿病在国内外都有着很高的发病率,已经成为全球严重的公共卫生问题,严重威胁着人民的健康,给患者及其家庭造成了沉重的负担。目前,主流的癌症治疗手段包括化学疗法、放射疗法和外科手术。这些传统的治疗方法不但会引起诸多的副作用,还常常伴随着较高的复发率;另一方面,目前治疗II型糖尿病(T2DM)主要依赖改善生活习惯,使用降糖药,以及补充外源性胰岛素的方法控制病情进展。但是,治疗效果并不理想,只有一半接受治疗的患者血糖水平得到了有效控制。随着电力工业的发展,电磁场的生物效应越来越受到人们的关注。1979年,Wertheimer调查了超高压电站对儿童白血病发病率的影响。由此开启了近代生物电磁学的研究高潮。早期的研究者更多地关注人工电磁场对人体健康的负面影响,为电磁场阈值的制定提供科学依据。近年来,越来越多积极的电磁场生物效应被研究者们所发现,包括电磁场对癌症、糖尿病、神经系统疾病、免疫系统疾病、皮肤伤口愈合、肌肉骨骼系统疾病等疾病的治疗作用以及抗氧化等健康增强功能。与传统的疾病治疗手段相比较,电磁治疗还具有安全、无痛、无创、无副作用等优点。电磁治疗方法还处于发展的初期,虽然具有诸多的优势,同时也存在一些明显的问题。例如:1)生物电磁效应机制尚未明确;2)存在许多不能成功复现甚至相互冲突的实验结果;3)治疗用电磁场参数选择的盲目性。这些问题的存在阻碍了电磁治疗方法在临床上的应用。虽然已经有多个生物电磁效应机制被提出,如:自由基对理论、生物化学热力学模型、离子振荡模型等,但这些理论仍然在遭受质疑,没有被证实。生命系统的复杂性以及生物学和物理学之间的巨大鸿沟,限制了对磁接收机理的研究进展。生物电磁效应机制研究的突破有赖于生物物理学和相关技术的发展。存在许多不能成功复现甚至相互冲突的实验结果,这是生物电磁学领域一个非常突出的问题。通过文献调研发现,虽然方向性是电磁场等矢量场的一个重要特征,非常多的研究却忽视了电磁场方向性对生物电磁效应的影响。本文以细胞内ATP水平为检测指标,考察了竖直、水平以及倾斜方向电磁场的影响。实验结果证实了电磁场的生物效应具有方向性。这为早期互相冲突研究文献的校验以及未来生物电磁效应研究实验的开展提供了非常有价值的指导。在电磁治疗中,选择合适的电磁场参数(包括频率、强度、波形等)是非常关键的一步。然而,在缺乏明确生物电磁效应机制的情况下,大多数研究只能随意地选取这些参数,这导致很差的治疗效果以及很长的实验周期。在这种情况下,本文提出使用仿生学方法来指导疾病治疗用电磁场参数的选择。仿生学是一种从自然界获取灵感,用于指导人类生活和工业生产的方法学。人类在一个充满了电磁场(如地球磁场、舒曼共振等)的自然环境中生存、进化,已经适应了地球上的自然电磁环境。有研究表明,自然电磁场有利于人体健康,甚至能够辅助某些疾病的治疗。因此,本文提倡模拟自然电磁场的参数来设计人造电磁场,用于疾病的治疗,并把这种模拟自然电磁场设计的人造电磁场叫做仿生电磁场(Bioinspired electromagnetic field,BIEMF)。本文选择了Magna Field(?)作为试验研究的BIEMF发射仪器。其可以发射强度与地球磁场相当,频率与大多数自然电磁场相近的仿生电磁场。首先,利用结晶紫染色实验,证实了0.5 Hz BIEMF具有抑制宫颈癌细胞(Hela)增殖的能力。当细胞密度增高到一定程度,BIEMF对Hela细胞的增殖抑制作用消失。对BIEMF抑制Hela细胞增殖机理的初步研究发现BIEMF似乎通过干扰细胞有丝分裂及触发细胞凋亡抑制Hela细胞的增殖。然后,通过细胞实验,发现在高葡萄糖浓度培养条件下,10 Hz BIEMF能够促进肝癌细胞对葡萄糖的吸收,而不影响细胞的数目。并且,BIEMF结合降糖药物联合使用,比BIEMF单独使用具有更加显著的促葡萄糖吸收效果。这表明10 Hz BIEMF具有治疗Ⅱ型糖尿病的潜力。通过以上细胞实验,本文验证了BIEMF确实具有治疗癌症及T2DM的潜力。这证实了仿生学方法应用于疾病治疗电磁场参数选择的可行性。为了将BIEMF更好地应用于临床治疗,本文设计了一款可穿戴的BIEMF发射端。在本文中BIEMF发射端被设计成了硬币大小的独立单元体,实际治疗时,多个发射端组合使用。经ANSYS Maxwell软件仿真计算,所设计扁平空心圆环状电磁场发射线圈的最佳尺寸为:厚度3 mm,内径4 mm,外径10 mm。相较于矩阵形排列的电磁场发射端,按照蜂窝状排列方式组合的发射端所发射的磁场强度更为均匀。最后,通过制作BIEMF发射端实物和搭建BIEMF发射系统,实际检测的磁场强度结果与仿真结果基本一致。论文的最后,为了研究BIEMF是否能够穿透各层人体组织到达靶组织或者靶器官,进行了理论及仿真研究。首先,利用Creo

关键词： 飞行器   摩擦起电   电磁场   静电放电  

摘要： 飞行器的安全运行是确保航天事业的发展和进步的基础。然而飞行器飞行过程中,由于与空气中的冰晶粒子碰撞,发动机燃料燃烧等原因,其表面会积累静电荷,当表面静电荷积累到一定程度,且产生的场强达到周围介质的击穿阈值场强时,发生静电放电。静电放电可以直接在飞行器表面上产生高的感应电势,也会以辐射的形式通过孔缝耦合到飞行器内,影响飞行器的安全运行。因此研究飞行器的充放电机理对评估静电对飞行器的威胁并做出相应的电磁防护措施至关重要。本文通过理论分析、仿真建模的手段,围绕高空高速飞行静电效应机理展开研究。主要研究内容及成果如下:首先,基于冰晶的特点,改进了飞行器表面与冰晶的摩擦充电电流模型。该模型是以金属与介质摩擦机理为基础,再结合泊松电势方程解释摩擦后冰晶体内电荷分布来建立的,并利用现有的实验数据验证了该模型的有效性。进一步,将发动机看成一孤立导体,从分子动力学出发,结合粒子的麦克斯韦速度分布函数和镜像原理研究飞行器发动机的喷射起电机理,得到发动机在0.2ns内达到稳定的负电位-0.1624V的结论。其次,研究了飞行器尾翼等尖端部位的电晕放电和飞行器机体局部放电的机理,得到放电的阈值电压。根据飞行器的充放电机理,结合Q3D电磁仿真软件研究了静电平衡时飞行器的表面电荷分布并计算了飞行器的自电容值,给出了静电平衡时影响最大静电位的因素。最后,利用电磁仿真软件建立飞行器模型,分析了电晕放电时飞行器壳体内外电磁场分布情况。将电晕放电电流注入到飞行器尾翼,分析了在线缆的线型、长度、位置和飞行器机壳的完整性变化的不同情况下,电晕放电对飞行器内线缆中信号传输质量的影响,为飞行器静电防护的研究提供理论基础。