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关键词： 爆磁压缩发生器   等离子体   含铝炸药   磁场扰动   数值模拟  

摘要： 等效电路模型是目前工程上应用最广的螺旋型爆磁压缩发生器(HMFCG)数值模拟方法。但其磁能和磁通量损耗模型一直不够完善,不能准确的预测爆磁压缩发生器电流的放大。爆炸场高温、高压的特性能使其爆轰产物电离成等离子体,等离子体运动产生Boronin电流,从而产生电磁辐射,并对爆磁压缩发生器的磁通量产生影响。故本文修正了等效电流模型,从爆炸场电磁辐射角度对爆磁压缩发生器的电流放大展开相关研究。 首先基于爆炸引起的多场对电流增益的影响,提出修正的等效电路模型。给出等效电路模型中造成磁能损耗的电阻计算模型以及爆炸场等效电流所引起的磁通量损耗模型。 其次通过爆轰参数标定拟合法得到9种含铝炸药的JWL-Miller状态方程参数,比较不同含铝炸药的密度、爆速、爆压,排除不合理数据。选取RA1、PBXN-109、RA15、炸药B50、RA30炸药,利用Autodyn对电枢膨胀和产物速度分布进行了计算机仿真,获得了产物速度、电枢膨胀角等数据。对不同时刻下的产物速度和电枢膨胀角进行分析可知,电枢以固定膨胀角随着爆轰波阵面运动朝输出端匀速运动,爆轰产物速度分布则只与波阵面间的相对位置有关。比较不同铝含量混合装药下电枢膨胀角和产物速度可知,含铝量低于28%时,电枢膨胀角和产物速度与铝粉含量呈负相关。爆轰产物的等效电流为爆磁压缩发生器回路电流的5.2%,表明爆炸场引起的等效电流确实会对爆磁压缩发生器电流增益产生影响。 最后基于等效电路修正模型,利用matlab编写了爆磁压缩发生器电流放大的仿真程序。针对8701装药下的FCG进行数值模拟,与实验结果对比证明了程序的正确性与可靠性。而后以PBXN-109、RA15、炸药B50对FCG进行了数值计算和试验验证。分析表明:当铝含量低于28%时,FCG电流放大倍数随铝粉含量的增加而减小,并且绕组电感和负载电感之比、负载电阻的值也影响电流的输出,其与电流增益成负相关。 综上所述可知含铝炸药爆轰所引起的电磁效应抑制了爆磁压缩发生器的电流增益,因此选择装药时,应尽量减低铝粉含量。

关键词： 高速永磁发电机   环绕式绕组   电磁场   匝间短路故障   电磁振动   温度场   多物理场  

摘要： 随着科学技术的发展,采用高速永磁发电机为核心的发电系统凭借其高效率、高功率密度的优势,在航空航天、燃气轮机以及飞轮储能等领域得到广泛的应用。高速永磁发电机作为发电系统的核心,在电磁性能、振动噪声、散热冷却、机械结构等方面面临和解决的问题庞大且复杂,其研究对高速永磁发电机的发展具有重要意义。因此,本文以一台40k W、20000r/min的环绕式绕组高速永磁发电机为研究对象,对发电机进行电磁场优化设计,并采用多物理场仿真进一步分析发电机的振动响应与温度分布情况,为提升高速永磁发电机安全稳定性能提供保障。针对高频工况下环绕式绕组的漏磁在发电机中产生附加涡流损耗的问题,对其机壳涡流损耗进行了分析。基于拉普拉斯方程和泊松方程,建立了机壳涡流损耗的快速解析计算模型,对高速永磁发电机机壳涡流损耗进行了解析公式推导,阐明了机壳涡流损耗的影响因素;使用有限元法研究了机壳结构和机壳材料对机壳涡流损耗的影响,揭示了机壳涡流损耗非线性变化的机理,确定了机壳涡流损耗最小的设计方案;研究了发电系统在负载不对称和非线性负载工况时,高速永磁发电机的涡流损耗,确定了不同工况对涡流损耗的影响。气隙区域的隔油环增大了发电机主磁路中的磁阻,导致永磁体励磁效果明显降低,提出一种采用弱磁性隔油环的冷却结构,能有效减少气隙区域的磁阻,增加永磁体励磁效果;采用解析法对不同磁导率隔油环的发电机空载感应电动势进行了解析推导,得出了隔油环磁导率调磁特性曲线;同时结合有限元法研究了弱磁性隔油环的电磁参数对发电机输出特性的影响,得到了发电机输出特性随着隔油环磁导率的非线性变化规律;此外,进一步分析了不同磁导率隔油环的发电机气隙磁密与电磁力密度的分布情况,揭示了磁性隔油环抑制谐波的变化机理。针对环绕式绕组匝间短路故障后对高速电机运行的影响,分析了环绕式绕组的匝间短路参数方程,得到了故障后绕组电参数的变化数值;采用场路耦合法,研究了发电机匝间短路后的电磁特性,得到了故障下气隙磁场的时空分布,揭示了匝间短路故障后磁场不对称性的变化机理;基于傅里叶时空谐波分析,研究了不同短路匝数下电磁力波的特征参数,得到了短路环流作用下引入电磁力波分量的特性参数。通过发电机定子三维模态模型,分析了定子的模态振型与固有频率,根据前述电磁力特性的研究结果,将电磁力激励源施加在定子模型,结合瞬态动力学和谐响应分析计算了高速电机在不同工况下的振动响应;研究了不同磁导率的隔油环对发电机振动的影响,通过振动加速度的对比确定了磁性隔油环对振动的影响;分析了故障工况下发电机振动特性,得到了匝间短路故障后发电机振动的信号特征规律,为发电机故障诊断提供参考依据。在电磁损耗计算的基础上,建立了高速永磁发电机的温度场计算模型,研究了不同机壳材料下电机的温升,确定了不同机壳材料对电机内部换热的影响;对比分析了不同导热系数的隔油环对发电机内部传热的影响,得到了发电机内部的温度分布特点,并分析了绕组和永磁体的温度分布情况,对防止电机热故障具有重要意义;通过对样机进行了电磁和温升实验,与有限元计算进行对比,验证了理论分析的正确性。

关键词： 核电磁脉冲   SAR   温度场   电磁场   电磁暴露  

摘要： 核电磁脉冲具有频谱范围宽、瞬时功率大、作用范围广等特点,其具有很强的破坏性,不仅会干扰和损坏电子设备,携带的电磁能量如果被人体吸收,会对人体健康造成威胁,因此,针对核电磁脉冲对人体产生的影响进行安全评估越来越受到公众关注。本文通过仿真平台模拟核电磁脉冲环境,研究核电磁脉冲作用于人体组织的感应电场强度、磁场强度、比吸收率及温度变化。并与ICNIRP(International Commission on Non-ionizing Radiation Protection)标准进行比较,进而实现核电磁脉冲对人体的电磁暴露安全评估。具体的研究方法如下:选取国际电工委员会制定的双指数函数脉冲模拟核电磁脉冲,对核电磁脉冲进行频谱分析,得出核电磁脉冲主要谐波分量的幅值、频谱及相位。根据分析获得的主要谐波信息,在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics中构建偶极天线等效辐射源模型。并依据中国人体尺寸标准构建三维成人和儿童人体模型,通过四阶Cole-Cole模型计算人体组织的介电特性。研究不同谐波、不同距离下,核电磁脉冲作用于人体的电磁暴露水平。仿真计算了距离辐射源1、2、10 km处,人体组织的感应电场强度、磁场强度、SAR(Specific Absorption Ratio)和温度分布,对成人和儿童仿真结果进行分析,并与ICNIRP标准进行比较。得出了以下结论:(1)核电磁脉冲一次和二次谐波辐照下,距辐射源1 km处,成年人体模型中感应电场强度峰值为88.8 V/m和43.8 V/m,分别高出ICNIRP公众电磁暴露限值48%和19%,此距离下核电磁脉冲会对人体健康造成威胁;而在距辐射源10 km处,成年人体模型中感应电场强度峰值为8.88 V/m和4.38V/m,在ICNIRP公众电磁暴露限值内,此距离下成年人体模型中感应电场强度处于安全范围。核电磁脉冲一次谐波和二次谐波辐照下,儿童模型中感应电场强度分别是成年人体模型中感应电场强度的1.5和1.4倍,因此,儿童的感应电场强度的安全距离比成人更远。(2)核电磁脉冲一次谐波辐照下,距辐射源1 km处,儿童和成年人体模型的SAR为0.75 W/kg和0.63 W/kg,分别是ICNIRP公众电磁暴露限值的37.5%和31.5%。核电磁脉冲二次谐波辐照下,距辐射源1 km处,儿童和成年人体模型中SAR最大值为0.26W/kg和0.155 W/kg,分别是ICNIRP标准限值的13%和8%。因此,在距辐射源1 km以上,儿童和成年人体模型中SAR在安全范围。(3)在相同暴露时间下,随着暴露距离的增加,其温度变化值逐渐减小。在相同距离的条件下,随着持续时间的暴露,人体各组织的温度变化逐渐趋近于稳态。在距离辐射源10 km,暴露时间6 min,成人和儿童的温升最大值在大脑处,温度为37.217℃、37.21℃,温度升高0.217℃和0.21℃,均低于ICNIRP标准规定的局部温升2℃和核心温升1℃限值。本文研究中获得结果为核电磁脉冲引起真实的人体温度升高提供了理论依据。仿真计算得出的结果与ICNIRP标准进行对比,为核电磁脉冲环境中人体健康提出了科学的参考依据。

关键词： 极低频电磁场   早期发育阶段   离体海马脑片   长时程增强   胞内钙库  

摘要： 现代社会中极低频电磁场（Extremely low frequency electromagnetic fields,ELF-EMFs）设备被广泛使用,因而众多学者致力于极低频电磁场生物效应的研究。长时程增强（Long-term Potentiation,LTP）作为突触可塑性的重要表现形式之一,是学习与记忆细胞水平的生物学基础。大量研究表明ELF-EMFs暴露会对人类的学习和记忆功能产生潜在的影响。以往的研究中,我们已经探究了不同参数的ELF-EMFs暴露对离体脑切片海马CA1区LTP的调控作用,包括磁场强度、磁场频率、波形模式（连续正弦、单频脉冲和节律脉冲）、作用时长、作用阶段以及突触可塑性的诱导方式等,实验结果表明极低频m T量级ELF-EMFs刺激对两周龄SD大鼠离体脑片海马CA1区LTP有抑制作用。同时,我们也发现一个有趣的现象,SD大鼠在早期发育阶段,其年龄越小对m T量级ELF-EMFs刺激越敏感。然而这需要进一步的实验来验证。 ELF-EMFs因其能够对早期发育阶段的学习和记忆功能产生影响而受到越来越多的关注与深入的研究。本文旨在探究ELF-EMFs对早期发育阶段不同年龄段SD大鼠海马CA1区LTP的调控规律及其内在机制。首先,结合电生理技术和电磁技术完成了15 Hz/2 m T ELF-EMFs刺激对早期发育阶段（8,15,22和29天）SD大鼠海马CA1区LTP影响的实验,结果表明ELF-EMFs对LTP的影响因年龄不同而产生差异性的抑制效果,年龄越小抑制效果越显著。其次,为探究ELF-EMFs影响LTP的内在机制,添加2-氨基乙氧基苯硼酸（2-Aminoethy diphenylborinate,2-APB）阻断胞内钙库上的钙离子通道——肌醇1,4,5三磷酸受体(inositol（1,4,5）-trisphosphate receptors,IPRs),发现ELF-EMFs对LTP的抑制效应消失,证明了ELF-EMFs对LTP的调控与胞内钙库钙通道相关联。同时检测到ELF-EMFs刺激后磷脂酶C（phospholipase C,PLC）活性的增加,验证了ELF-EMFs刺激可能通过作用于m Glu Rs/PLC/IPRs路径进而调控LTP的猜想。最后,为进一步揭示ELF-EMFs差异性调控不同年龄LTP的内在机理,通过调整胞外钙离子浓度(Extracellular Caconcentration,[Ca])干预胞内钙离子浓度(Intracellular CaConcentration,[Ca])水平,发现提高[Ca]使得ELF-EMFs对15天组SD鼠LTP的抑制作用消失,而降低[Ca]使得ELF-EMFs对29天组SD鼠LTP的抑制作用显现出来。这充分证明了ELF-EMFs可能通过不同程度地影响[Ca]水平进而对不同年龄SD大鼠的LTP产生差异性的调控作用。这些发现揭示了ELF-EMFs对早期发育阶段海马区突触可塑性的作用机制,为ELF-EMFs的合理应用与防护提供了新的思路。

关键词： 牛肉   过冷贮藏   冷冻   影响因素   电磁场   品质  

摘要： 随着人民生活水平的提高,人们的视野更广泛的聚焦于冷鲜肉,鲜肉的贮藏方式也逐渐由冷冻转向冷鲜。冷鲜肉贮藏温度较高,脂质氧化与微生物生长导致牛肉在短期内发生腐烂。过冷处理能够保证牛肉在冰点以下维持牛肉非冻,延长贮藏期的同时避免了解冻后大量的水分与营养物质流失。但过冷贮藏易受环境扰动影响,导致牛肉迅速冻结。非热物理场在食品加工领域的研究已成为一大热点,磁场不仅能够延缓食品品质劣变,也对水分子等极性分子的结构与运动产生影响从而抑制牛肉冻结,因此对电磁场辅助牛肉过冷贮藏进行研究具有重要意义。本文通过搭建电磁场辅助冷冻冷藏试验台,开展了电磁场(0 Gs、20 Gs、40 Gs、60 Gs、80 Gs和100 Gs)与冷冻温度(-6℃、-10℃、-14℃和-18℃)对冷冻参数的影响研究,探究了降温工艺、温度控制对牛肉过冷状态的影响,测定了牛肉贮藏7天的品质变化,具体研究内容与结论如下:(1)通过电磁场与冷冻温度对牛肉冻结参数的研究,发现冷冻温度为-18℃时,牛肉基本不会出现过冷状态。冷冻温度为-6℃时,20 Gs、40 Gs电磁场处理后过冷度分别提高了1.2℃和1.7℃;60 Gs、80 Gs和100 Gs电磁场使牛肉维持过冷状态,其中60 Gs组牛肉中心温度达到-5.4℃。试验表明,冷冻温度越高,电磁场对牛肉过冷产生的效果更显著。在相同的冷冻温度下,磁感应强度越大,牛肉出现过冷现象的概率越大,牛肉的冰成核温度越低,过冷度越大。(2)本文研究了降温工艺对牛肉过冷状态的影响,包括-4℃一阶段式,-2℃、-4℃二阶段式和0℃、-2℃、-4℃三阶段式降温。结果表明,三阶段式降温工艺显著提高了过冷状态的稳定性,60 Gs电磁场处理能够保持200 g±15 g牛肉的过冷状态7天。通过将牛肉所处温度的波动控制在±0.2℃、±0.5℃和±0.7℃,探究了温度控制对过冷状态的影响。试验表明,温度波动为±0.7℃时,牛肉过冷状态不能长时间维持;温度波动为±0.5℃和±0.2℃时,60 Gs电磁场处理维持牛肉的过冷状态7天。(3)对-4℃过冷牛肉的品质进行测定,发现牛肉的持水能力显著提高,在贮藏第7天,-4℃过冷牛肉的汁液流失率分别降低了45.1%和63.1%(与-4℃冷藏和-4℃冷冻相比)。-4℃过冷牛肉的TBARS含量和TVB-N值分别为0.22679 mg/kg和7.316mg/100g,显著低于4℃冷藏(0.48291 mg/kg和12.358 mg/100g)与-4℃冷冻(0.32367mg/kg和9.146 mg/100g),减轻了牛肉的脂质氧化程度和腐烂程度。

关键词： 磁性源   空间波数域   三维数值模拟   二次场方法   OpenMP并行  

摘要： 随着电磁勘探技术的发展和精细化、透明化的地质勘探需求,电磁法勘探逐步在实际勘探中得到广泛应用,同时也面临着巨大的挑战。一种高效高精度的电磁三维数值模拟方法是实现大规模电磁数据精细化反演和定量解释的关键。磁性源电磁法作为频率域电磁法中一种重要的勘探方法,由于不需要电极接地,工作较方便,已经广泛应用于浅部构造、水文地质和工程地质等领域。论文主要以空间波数域方法为工具,开展了磁性源电磁场三维数值模拟研究。具体研究内容如下:1、均匀层状介质磁性源电磁场数值模拟。从Maxwell方程组出发,引入矢量位、标量位及二者之间的洛伦兹规范,利用边界条件和逐层递推公式,得到了均匀层状介质磁偶极源电磁场的解析表达式;开展了基于Open MP并行算法研究,完成了均匀层状介质条件下磁偶极源电磁场的并行计算,计算结果显示,该方法计算效率优于传统方法。2、基于库伦规范的空间波数域磁性源电磁场三维数值模拟方法。利用二次场方法,一次场采用均匀半空间或层状介质的背景场,二次场采用基于库伦规范的空间波数域磁性源电磁场三维数值模拟方法计算,具体做法为:引入库伦规范,将Maxwell方程转化为关于库伦矢量位标量位的三维偏微分耦合方程,利用水平方向二维傅里叶变换,将二次场矢量位标量位满足的三维耦合方程转化为多个一维常微分方程组,结合准确的上下边界条件,得到磁性源电磁场三维数值模拟的边值问题;利用基于二次插值的有限单元法求解该边值问题,得到的定带宽线性方程组采用追赶法求解;最后利用紧算子迭代求解电磁场,让数值解逐渐逼近真解。算法充分利用了空间波数域方法的优势,实现了磁性源电磁场高效、高精度三维数值模拟。3、磁性源电磁场三维数值模拟算法验证及响应特征分析。设计不同模型,对算法的正确性、收敛性以及效率进行分析,结果表明,本文算法正确,算法收敛速度随着异常体电导率和背景电导率差异增大而减慢,对比其他有限元算法,本文算法效率高数量级倍数,且适用于大规模计算;分析了电磁场归一化响应对于异常体的识别能力,研究表明水平电场归一化响应能更好地反映异常体位置,对异常体的识别能力更强。图35幅,表8个,参考文献118篇

关键词： 无损检测   ACFM   硬件设计   ZYNQ   数字相敏检波  

摘要： 交流电磁场检测技术(ACFM)是基于电磁感应原理发展而来的电磁检测新技术。该技术通过将交变电流导入金属工件表面并提取电流经过缺陷时引发的畸变磁场,从而实现对金属工件表面及近表面缺陷的非接触测量及定量分析。国内针对该项技术的研究起步较晚,大多数仪器存在检测范围小、电路冗杂、信号易受干扰等问题。针对上述问题,本文从ACFM检测原理出发,建立相关数学模型,研制了一套基于ZYNQ的ACFM检测系统,以异构多核架构的ZYNQ芯片为核心实现了激励信号产生、检测信号处理以及与上位机通讯等功能,并针对不同金属材料工件上的不同参数缺陷设计试验进行验证分析。论文具体研究内容概括如下:(1)论述了课题研究背景及意义,介绍了ACFM检测的基本原理并分析了缺陷参数与检测信号之间的关系,同时针对ACFM检测构建了数学模型并求解,得出金属工件表面磁场分布情况。(2)针对探头检测范围问题,选用线圈式传感器来提取检测信号,并设计探头封装与接口,提高检测探头的实用性和稳定性;结合BUF634功率放大器、3PD5651数模转换芯片、DDS算法组成激励源模块,实现激励信号可调频、调相、调幅的功能;以AD620仪表放大器、四阶巴特沃斯滤波电路、3PA1030模数转换芯片为核心组成外围信号处理电路,对检测信号进行放大滤波处理并转为数字信号传输至ZYNQ,随后基于ZYNQ的PL端完成数字相敏检波算法,实现对检测信号的自适应滤波,并提取信号的幅值与相位信息;利用AXI DMA IP核实现PS端与PL端的数据交互,并采取串口传输的方式实现PS端与上位机的通讯;设计ACFM上位机系统,实现信息配置、数据显示及数据存储的功能。(3)采用电火花技术分别在304L奥氏体不锈钢板、45#钢板、铝板、对接钢板焊缝等工件上加工不同参数的矩形槽缺陷。针对研制完成的ACFM检测系统对工件进行检测试验,检测结果由上位机界面显示,结果表明系统可成功实现对不同参数缺陷的检出。对试验结果进行研究分析,系统针对深度较小缺陷的检测信号特征变化较小,但针对长度较小以及焊缝的埋藏缺陷保持着良好的检出效果,验证了本课题所研制的检测系统能够满足ACFM检测应用需求。

关键词： 贯流式水轮发电机   阻尼条损耗发热   电磁场-热网络耦合   有限元法   涡流密度  

摘要： 贯流式水轮发电机作为一种开发利用低水头、大流量水电资源的优良机型,具有效率高、过流量大、发电机尺寸小等一系列突出优点。仅在川渝地区便装设有超过100台贯流式水轮发电机,但作为一种卧式机组,与立式机组不同的是,其内部空间狭小且气隙宽度较窄,致使其电磁与发热分析设计长期面临着较大困难。为了更为准确高效地分析此类在不同工况下的阻尼绕组损耗发热,保障运行安全,本文建立了三维电磁场模型与磁极三维热网络模型,对阻尼绕组实施了损耗发热综合分析,具体如下:首先,以麦克斯韦电磁场理论为基础,结合电路相关的知识,建立了纯场、场-路耦合模型,并对比分析了其对发电机损耗求解的精度、效率与适用性,得出结论:场-路耦合更适合与本文的研究工作。进而,充分考虑磁极区域实际几何结构与热源分布规律、不同方向的导热差异、迎风面与背风面之间、端部与直线部分之间的对流散热能力差异等关键热学影响因素,提出了一种兼顾求解的全面性、准确性与高效性水轮发电机磁极区域三维热网络计算模型。并从计算、实测两个方面对模型的计算误差进行对比分析,结果证明,本文所建立的三维热网络模型能够较好的兼顾计算效率与精度两方面要求。在此基础之上,对阻尼绕组损耗发热实施电磁场-热网络综合计算,研究在不同工况下的贯流式水轮发电机的磁场、阻尼绕组的损耗发热与涡流密度的变化规律。为贯流式水轮发电机的损耗发热分析设计与运行维护水平的进一步提升,提供了有益技术支持与方案参考。

关键词： 金属材料   腐蚀   电磁场   扩展逐层方法   损伤  

摘要： 航空金属结构服役于复杂恶劣的工作环境,容易受到腐蚀介质的影响。当外界环境与腐蚀介质共同作用时,金属腐蚀效应就会变得非常复杂,如复杂电磁环境下飞机雷达罩连接体的金属腐蚀。关于高强度辐射场与腐蚀环境耦合作用的研究较少,研究航空金属结构在外加电磁场和腐蚀环境耦合作用下的腐蚀行为具有重要意义。本文结合多物理场扩展逐层方法,建立电磁场作用下金属腐蚀问题的扩展逐层分析模型,并对含损伤金属结构腐蚀耦合问题进行分析。本文的主要研究内容包括:首先,基于麦克斯韦方程和腐蚀动力学理论建立了电磁场作用下的腐蚀耦合问题分析模型,从多角度研究了电磁场对腐蚀反应过程的作用机理,得到了相应的经验规律。然后,将氧化扩散反应腐蚀动力学方程引入化-力耦合混合变分原理中,推导了金属氧化物生长的化-力耦合控制方程,结合多点约束方法,建立了高温腐蚀氧化物生长的化-力耦合扩展分析模型,并进行数值对比验证。进一步建立了电磁场作用下金属高温腐蚀氧化生长沉积的化-力耦合扩展逐层分析模型,分析了不同磁场强度对氧化物生长沉积的作用规律,并考虑了损伤的影响。最后,基于化-力混合变分原理,推导了扩散机制主导下的电化学腐蚀界面控制方程,建立了腐蚀界面相变机制下的化-力耦合扩展逐层方法,并验证了该方法的正确性。在此基础上,建立了电磁场作用下扩散主导的电化学腐蚀界面化力耦合扩展逐层分析模型,分析了不同磁场强度对金属腐蚀速率的作用机理,并考虑了损伤的影响。

关键词： 非线性薛定谔方程   磁位势   电磁场   有限维约化   尖峰解  

摘要： 我们考虑下面带磁场的非线性薛定谔方程:(ih(?)+A(x))2 u+V(x)u=|u|p-1u,x ∈ RN,u:RN→C,其中i是虚数单位,h>0是普朗克常数,磁位势A(x)=(A1(x),…,AN(x))是向量值函数,Aj(x),j=1,2,…,N都是实函数,V(x)>0是有界函数.方程中的指数p是次临界的,即当N=1,2时10使得当0