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关键词： 三维电磁场   空间-波数域   数值模拟   形函数积分   压缩算子  

摘要： 地球物理勘探中,地下复杂地质体电磁场三维数值模拟计算量大、存储要求高.针对这一问题,本文提出一种空间-波数域三维电磁场数值模拟方法,该方法利用电磁场积分方程为卷积的特点,将积分沿水平方向进行二维傅里叶变换,将电磁场三维空间域卷积问题转换为不同波数相对独立的多个一维积分问题,由此计算量和存储需求大大减少,易于实现并行计算.采用有限单元法中的形函数进行一维数值积分,一维积分离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征电流变化,可得出单元积分的解析表达式;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和导电率异常,兼顾计算精度与计算效率,优势之二是用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;最后引入压缩算子,采用迭代求得电磁场的数值解.本文方法充分利用不同波数之间一维积分高度并行性、一维形函数积分的高精度及快速傅里叶变换的高效性,实现电磁场三维高效高精度数值模拟.设计模型将本文方法数值模拟结果和软件INTEM3D的数值模拟结果对比,验证了方法的正确性;设计高阻和低阻异常体,研究了异常电导率与背景电导率差异对迭代收敛速度的影响;改变计算规模,随着计算网格增多,算法耗时与存储呈近似线性增长;设计复杂模型与目前主流数值模拟方法对比,本文算法速度快1个数量级以上,且计算规模越大,算法效率的优势越明显.研究结果表明,本文提出的空间-波数域三维电磁场数值模拟方法理论和方法正确,计算效率高,对计算机存储要求低,算法高度并行,适合任意复杂条件大规模三维电磁场高效、高精度数值模拟.

关键词： 电磁场理论   交叉学科   工程可视化   无线输电   线圈互感  

摘要： 针对难教难学难用的课程,教师可以采用工程可视化设计来改善教学效果。以硕士研究生电磁场理论结课作业为例,给出一种交叉学科电磁场理论的可视化教学设计。该设计任务为MHz无线输电领域发射级线圈与接收级线圈之间形成互感的理论计算与仿真验证,其中理论计算采用Matlab Workspace环境编程,仿真验证采用COMSOL高频电磁场线圈模型。学生提交作业效果表明,电磁场理论课采用可视化教学设计,可以加深学生对深奥知识的掌握与运用能力。

关键词： 有限元法   水下绝缘体小目标   磁场探测   电磁场仿真软件  

摘要： 开展具有自主知识产权的水下绝缘体小目标探测方法研究,可为我国海域勘探开发提供技术支撑。文章将基于有限元的电磁场探测方法应用到水下绝缘体小目标的检测:首先利用ANSYS Maxwell软件进行建模仿真;然后对不同电流及不同水面高度/水下深度有无绝缘体小目标的磁感应强度进行模拟并计算其差值。结果表明,当水下导线直流电流为200 A时,磁感应强度模拟差值大于0.3 nT,可在350 m×350 m×35 m的海域内有效探测有无绝缘体小目标通过。

关键词： 电磁场理论   教学创新体系   实践研究  

摘要： 针对电磁场理论教学中存在立德树人融入课堂不充分、电磁知识抽象难理解、信息技术课堂应用少等痛点问题,基于OBE理念,构建电磁场理论“1234”教学创新体系,经过实践教学,取得良好效果。

关键词： 错答剖析   深度学习   习题讲评   核心素养   仿真物理  

摘要： 面对学生在解题训练过程中出现的错误和偏差,教师不能只简单地作出正误评判,更要细致地剖析学生出错原因,在习题讲评过程中通过合理构建物理情境、适时引发认知冲突、有序设计活动任务来有效组织深度学习,使学生实现清晰悟理和知识的有效迁移,完善自身认知结构,不断提升核心素养。

关键词： 特征模分析   电磁理论   天线设计   一流课程  

摘要： 为贯彻“两性一度”理念,创建一流本科课程,可以将特征模分析引入电磁场与微波技术课程教学中。一方面,特征模理论立足于电磁场基本方程,结合矩量法求解金属导体电磁问题;另一方面,特征模分析从本质上解释天线的辐射机制,为天线设计提供精确的指导。在阐述特征模理论的基础上,通过圆极化贴片天线设计案例详细阐释了基于特征模分析的圆极化天线研究方法,阐明了特征模分析在电磁场与微波技术课程教学中的应用性。特征模分析既是电磁基本理论的深化,又为天线设计这一工程问题提供实践与创新思路,能有力支撑课程的高阶性、创新性和挑战度。

关键词： 无损检测(NDT)   交流电磁场检测(ACFM)   裂纹检测   外壳材料  

摘要： 传统的水下交流电磁场检测(alternating current filed measurement,ACFM)在仿真设计时未考虑外壳材料对检测信号和设备各个参数之间的影响。针对此问题,建立了ACFM仿真模型,对磁芯大小与形状进行了优化设计,缩减探头尺寸;分析了无损检测探头的外壳材料的电导率和磁导率对检测信号的影响,并进行了仿真分析;分析出最适用于深水无损检测(nondestructive testing,NDT)的外壳材料为304不锈钢和最佳电流频率,并对无损检测探头的各参数进行了优化设计。结果表明:外壳材料的电导率达到10^(7) S/m时,磁性传感器检测到的特征信号会反向和电流的频率大于7 kHz会导致检测信号严重失真;外壳材料的磁导率对z方向的磁感应强度B_(z)、x方向的磁感应强度B_(x)的幅值衰减严重。研究成果有利于水下无损检测设备的研发设计。

关键词： 直线振荡电机   永磁体   电磁场   有限元法   平台减振系统  

摘要： 设计了一种海上浮式发电平台用单相永磁直线振荡电机,该电机在电动状态时实现平台减振功能,在发电状态时实现平台多能源互补发电。首先,根据波浪载荷、电磁负荷参数建立永磁直线振荡电机模型结构和系统振荡时域微分方程,完成电机参数匹配设计。其次,采用有限元法分析电机在空载时的气隙磁场分布情况;计算电机在电动状态时的振荡位移和振荡频域,分析电磁推力随输入电流的变化特性;研究电机在发电状态时的电动势和输出电能质量情况。最后,通过改变电机动子永磁体环结构,优化电机发电性能。分析结果表明,该电机体积小,功率密度大,适用于漂浮式发电平台减振系统,其设计与优化分析方法适用于同类振荡电机的设计与分析领域。

关键词： Matlab   平面电磁波   反射与透射  

摘要： 电磁场理论有着丰富的科学内涵和应用领域,广泛应用于包括广播、电视、雷达、卫星通信导航定位等,催生了信息时代的到来。电磁场相关知识学习过程中涉及的理论推导多、概念多且抽象。利用Matlab程序对平面电磁波在介质界面的反射与透射进行可视化,有助于学生理解和掌握该物理过程,也为《电磁场与电磁波》课程中其他知识点的教学提供有益借鉴。

关键词： 电磁场   微波技术   EDA   理论教学   实践教学  

摘要： 结合笔者在电磁场与微波技术专业多年教学工作经验,本文回顾了现代EDA工具软件在该专业教学中的应用背景、历史和角色定位;探讨了EDA工具软件在电磁场相关工科教育的不同阶段所起到的作用;最后对其未来的发展做出了预测。