电磁场数值分析方法的若干研究 张晨颜
电磁场数值分析方法及其应用
电磁场数值分析方法及其应用电磁场是无处不在的,它在我们的日常生活中也发挥着极其重要的作用,比如说电视、手机、电脑和家用电器等等。
由于电磁现象的特殊性质,使得电磁场的理论计算非常困难,因此需要引入数值计算方法,对电磁场进行模拟分析,这就是电磁场数值分析方法的基本概念。
一、电磁场数值分析方法简介1. 经典电磁场理论在介绍电磁场数值分析方法之前,我们需要先了解一下经典电磁场理论,也即麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组描述了电磁场的本质规律,包括电场E、磁场B、电荷密度ρ和电流密度J等四个基本物理量。
这些物理量之间的关系是非常复杂的,因此对于麦克斯韦方程组的求解,需要引入数值计算方法。
2. 电磁场数值计算方法电磁场数值计算方法是指采用离散化方法,将复杂的连续介质分割成有限的、简单的小单元,通过在每个小单元内求解基本电磁场变量的数值解,再通过数值方法进行拼合,最终得到求解区域内的电磁场分布特征。
3. 数值计算方法分类目前常用的电磁场数值计算方法主要包括有限元法、时域有限差分法、频域有限差分法、矩量法等等。
这些方法各有特点,适用于不同的电磁问题求解。
二、电磁场数值分析方法应用1. 微波器件设计微波器件中电磁场的分布特征是十分重要的,它决定了微波器件的性能。
采用电磁场数值分析方法可以清晰地描述微波场的分布特征,从而进行优化和改进设计,提高微波器件的性能。
2. 汽车电磁兼容性分析汽车中各类电子设备的数量越来越多,它们之间的干扰和互相影响也越来越严重。
采用电磁场数值分析方法可以对汽车中的电磁问题进行深入分析,确定干扰成因,从而提出解决方案。
3. 太阳能电池板设计太阳能电池板在光电转化过程中,需要考虑光的反射、折射和吸收等问题。
而这些问题都涉及到电磁场的分布特征。
因此,采用电磁场数值分析方法可以对太阳能电池板的设计进行优化,并提高其能量转换效率。
三、结论电磁场数值分析方法是一种强大的工具,它可以帮助我们深入了解电磁场的本质规律,并对各类电磁问题进行分析和优化设计。
电磁场数值计算新方法的研究
h s ri e b f n o u e e e o me t o u r l c mp tt s o l c ma n t f l s T i a t l re y i t d c d t e d v l p n f n me ia o u a in f e e to g e i e d c i l r h c o r ci
bo o si al d e e n l s h t d me tc ly a xtr a y, umma i e e e a i a l o i m s a a y e omen w g rt n l rz d s v r t c a g rt l yp l h , l z ds n e a o i l hms n a ee c o i a d g v a h ag rt m rta d i s f ce c n n me ia ompu a i n fe e to g e i eds l h me i n n u i in y i u rc c l t to s o l c ma n tc f l . r i Fi a l e f r c s ft ea p i ai fwa ee aysst u e c omp t to sofe e toma e i n ly t o e a to p lc ton o v l ta l i o n m r a c h h n i l u a i n lc r gn tc i l sg v n. fedswa i e
K e o ds in t fe e c eh ; n t l m e eho m om e t e o ; y w r :f iedi r n em t od f iee e nt i m t d; n sm t d h ee e tfe lr i e o w a l ta a y i lm n r e Ga e k n m t d; vee n l ss h
电磁场数值计算
电磁场数值计算引言:电磁场是电荷和电流产生的物理现象,它在现代科技和工程中起着至关重要的作用。
对电磁场的数值计算是研究和应用电磁学的基础。
本文将介绍电磁场数值计算的原理和方法,并探讨其在实际问题中的应用。
一、电磁场的数值计算方法:电磁场的数值计算可以通过求解麦克斯韦方程组来实现,这是描述电磁场的基本方程。
麦克斯韦方程组包括四个方程,分别是电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律。
通过数值方法求解这些方程,可以得到电磁场在空间中的分布情况。
1. 有限差分法:有限差分法是一种常用的数值计算方法,通过将空间离散化为有限个点,时间离散化为有限个步骤,将偏微分方程转化为差分方程进行求解。
在电磁场计算中,可以将空间划分为网格,通过有限差分法计算电场和磁场在网格节点上的数值。
2. 有限元法:有限元法是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法,它通过将计算域划分为许多小的有限元,将偏微分方程转化为代数方程组进行求解。
在电磁场计算中,可以将计算域划分为三角形或四边形网格,通过有限元法计算电场和磁场在每个有限元上的数值。
3. 边界元法:边界元法是一种适用于边界值问题的数值计算方法,它将偏微分方程转化为积分方程进行求解。
在电磁场计算中,可以通过边界元法计算电场和磁场在边界上的数值,然后利用边界条件求解整个计算域内的电磁场分布。
二、电磁场数值计算的应用:电磁场数值计算在科学研究和工程应用中具有广泛的应用价值,以下是一些常见的应用领域:1. 电磁场仿真:电磁场数值计算可以用于电磁场仿真,模拟和预测电磁场在不同结构和材料中的分布情况。
例如,可以通过数值计算预测电磁波在天线中的传播情况,从而优化天线设计和布局。
2. 电磁场辐射:电磁场数值计算可以用于估计电磁场辐射对人体和环境的影响。
例如,可以通过数值计算评估电磁辐射对人体健康的潜在风险,从而制定相应的防护措施。
3. 电磁场感应:电磁场数值计算可以用于分析电磁感应现象,研究电磁场对电路和设备的影响。
电磁场数值分析方法讨论
目录
01 一、电磁场基本概念 和理论
03
三、电磁场数值分析 的未来方向
02
二、电磁场数值分析 方法及其优缺点
04 参考内容
电磁场是指由电场和磁场共同组成的物理场,它广泛存在于自然界和各种人工 装置中。电磁场的分析和计算对于科学研究、工程应用和实际生产具有重要意 义。本次演示将探讨电磁场数值分析的方法和模型,以及未来的发展趋势和方 向。
点,如对积分核的选取要求较高,对于复杂结构和多介质问题需要进行复杂的 数值积分等。
三、电磁场数值分析的未来方向
随着计算机技术的不断发展和数值计算方法的进步,电磁场数值分析在未来的 发展中将会面临更多的机遇和挑战。以下是一些可能的发展趋势:
1、高性能计算机的应用:随着计算机性能的不断提升,电磁场数值分析将能 够处理更加复杂的问题和更大的计算域。
边界元方法也存在一些缺点,如对边界的划分要求较高,计算量较大,需要较 大的内存空间等。
3、积分方程方法
Байду номын сангаас
积分方程方法是基于电磁场的积分方程进行数值求解的方法。在电磁场数值分 析中,积分方程方法广泛应用于解决封闭区域的电磁场问题。它的优点包括: 数学模型简单,计算量较小,可以直接计算出电磁场的分布。然而,积分方程 方法也存在一些缺
布、电磁力等性能指标。其中,有限元法是一种常用的数值计算方法,它可以 将连续的电磁场离散成多个单元,对每个单元进行计算,并通过插值得到整个 场域的结果。
三、模型建立与验证
在进行电磁场数值计算之前,需要建立永磁电机的电磁场模型。模型包括电机 的主要部件,如定子、转子、永磁体等,以及其材料属性、尺寸、相对位置等 参数。根据这些参数,利用电磁场数值计算软件可以建立起电机内部的电磁场 分布情况,
电磁场数值计算仿真实验设计
[收稿时间]2019-12-18[基金项目]哈工大(威海)研究生教育教学改革研究项目(WH2019014);哈工大研究生教改研究项目(JGYJ-2019036)。
[作者简介]周洪娟(1980-),女,山东烟台人,博士,副教授,主要从事电磁理论方面的教学和研究工作。
[摘要]电磁场边值问题的求解是电磁理论教学中的难点和重点。
课题组以简单的静态二维电场边值问题为例,同时采用解析法和数值法求解,基于Matlab 仿真平台编程实现,从解析法和数值法的结论互相呼应的角度来逐层次地设计实验,使学生对电磁场边值问题求解方法、抽象复杂的数学结论以及唯一性定理产生感性认识。
[关键词]电磁场边值问题;唯一性定理;解析法;数值法[中图分类号]O411.1[文献标识码]A [文章编号]2095-3437(2021)02-0004-042021年2University Education“电磁场理论”或“电磁场与电磁波”是工科院校电子信息、无线电技术类专业的一门重要基础课,其涉及的矢量微积分公式繁多、概念抽象,需要学生具备较为扎实的数学和物理基础,学生普遍反映难度大。
“电磁场理论”这门课的教学虽然要侧重电磁场、电磁波的基础理论,但也要注重与工程实践的结合,为工科院校的学生在相关课程以及方向的学习研究提供较为直接的理论指导。
这其中,电磁场边值问题的求解就是联系电磁场麦克斯韦方程等基础理论与各种复杂工程实践,如天线设计、电磁干扰与电磁兼容以及雷达散射截面积等相关应用的桥梁[1-7],但由于其涉及数理方程等复杂数学理论,使之成为本科教学中的难点。
电磁场边值问题指的是满足特定偏微分方程和边值条件的数理方程,静态电、磁场的边值问题的求解是指满足泊松方程或拉普拉斯方程和指定边值条件的数理方程的求解。
电磁场边值问题的求解方法主要分为解析法和数值法两大类。
解析法是指能从电磁理论出发通过公式推导可直接得到所求解问题的精确表达式的方法,该类方法通常只适合一些边界形状简单的特殊边值问题的求解,如边界形状为规则的平面状、球状或圆柱状。
电磁场数值分析课件
湖北工业大学研究生考试答题纸考试科目工程电磁场数值计算研究生姓名陈天丽学号120130104任课教师邹玲教授学院、专业电气与电子工程学院成绩二0一四年6 月19日《工程电磁场数值计算》课程学习总结这一学期的工程电磁场数值计算学完了,在老师的教导下以及与同学的课堂交流中我学习了很多很多东西,接下来我将从以下七个方面来总结以下这一学期我们学习的东西。
1.高斯消元法 1.1高斯消元法概念高斯消除法是求解线性代数方程组最古老的方法之一。
它不仅容易在计算机上实现,同时,又是构造其他方法的基础。
基本思想:按序逐次消去未知量,把原来的方程化为等价的三角形方程组,或者说,用矩阵行的初等变换将系数矩阵A 约化为简单三角形矩阵;然后按相反方向顺序向上回代求解方程组。
一.下面以一个例子来说明高斯消除法的计算过程。
123123123234 6 (1)352 5 (2)433032 (3)x x x x x x x x x ⎧++=⎪++=⎨⎪++=⎩ 将上述方程写成矩阵形式23463525433032⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1)以第一行为基底,消元:12121132*==k k k 131311422*===k k k (2)第二行减去第一行乘以12*k21211112332()02**=+∙=+⨯-=k k k k222212123153()22**=+∙=+⨯-=k k k k23231312324()42**=+∙=+⨯-=-k k k k221312356()42**=+∙=+⨯-=-p p k k(3)同理,第三行减去第一行乘以13*k31311113442()02**=+∙=+⨯-=k k k k32321213433()32**=+∙=+⨯-=-k k k k333313134304()222**=+∙=+⨯-=k k k k331334326()202**=+∙=+⨯-=p p k p变形后矩阵变为234600.544032220⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦(4)同理,以第二行为基地,消元:232322360.5*-===-k k k 323212233(3)0.5()00.5**=+∙=--⨯-=k k k k 33331313322(4)()20.5**=+∙=--⨯-=-k k k k331323320(4)()40.5**=+∙=--⨯-=-p p k k再次变形后的矩阵为234600.544004﹣﹣﹣2﹣⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦对应的方程为1232340 (1)++=x x x 230.54 4 (2)-=-x x 32 4 (3)-=-x解得3212813x x x ⎧=⎪=⎨⎪=-⎩二.有限元的方程组的求解方法归纳:13121110112223202122001020300n n n n n n n n n k k p k k p k k k k p k k k k ϕϕϕ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦高斯法如下:以第一行为基底消元:11ij ijp p k *=1111j jk k k *=第二 行减去第一行乘12k *第n 0行减去第一行乘01n k *同理有如下通式111111ii i i i p p p k p p k k **=-∙=-∙111111j ij ij j jij i k k k k kk k k **=-∙=-∙1.2列主元消除法一.基本实例 二.基本思想 给出增广矩阵111211,1212222,112,1a ,b =n n n n n n nnn n a a a a a a a A aa a a +++⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦用增广矩阵表示方程组,在增广矩阵上进行计算,其计算步骤是: (1) 选1,111a max i i i na ≤≤=,交换第1行和第1i ,然后进行消元得,()()()()()()()()()()()()()()111111121n 1,1111111212222,11111n12,1a ,b =n n n n nn n n a a a a a a a A a a a a +++⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2) 选()21,1i22a max i i n a ≤≤=,交换第2行和第2i ,然后进行消元,得()()22,b A ⎡⎤⎣⎦依次类推,每次消元前都要换行取最大的列元素为主元 三.列主元消去法技巧和注意在消元过程中适当选取主元素是十分必要的。
工程电磁场数值分析1(概述)
场是分布式的,复杂,但是更加本质,给出更多更加 真实的信息,揭示问题的实质。
路侧重于系统,场侧重于元件。
在以下情况下必须使用场的方法:
(1)当元件本身成为关注对象的时候;
(2)高频情况下,路的概念失效的情况下。
1. 为什么要做电磁场的分析
很多时候必须知道场的分布,并对之加以控制。
1. 为什么要做电磁场的分析
工程电磁场数值分析(1)
——概述
华中科技大学 电机与控制工程系
陈德智
2010.10
教材与参考书
叶齐政,孙敏.电磁场.华中科技大学出版社,2008 张倩,胡仁喜. ANSYS12.0电磁学有限元分析从入门到精通. 机械工业出版社,2010
ANSYS自带的帮助文档。
进一步的参考书
汤蕴璆,梁艳萍. 电机电磁场的分析与计算. 机械工业出版 社,2010 谢德馨,杨仕友. 工程电磁场数值分析与综合.机械工业出 版社,2009 汤蕴璆.电机内的电磁场. 科学出版社,1998 周克定. 工程电磁场数值计算的理论方法及应用. 北京:高 等教育出版社,1994 颜威利,杨庆新等. 电气工程电磁场数值分析.机械工业出 版社, 2006 王秉中. 计算电磁学. 北京:科学出版社,2002
数值法(离散法)
• 三要素
网格
节点 代数方程组
•
主要步骤: 场域离散 方程离散 解方程组 后处理 代表方法:有限差分法、有限元法
•
ANSYS有限元软件简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于 一体的大型通用有限元分析软件,可以实现结构力学分析、 动力学分析、热分析、流体分析、电磁场分析、声场分析 及多物理场的耦合分析。 由世界上最大的有限元分析软件公司之 一的美国ANSYS 开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换, 如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级CAD工具之一,为国内外众多大 型研究机构所采纳。
电磁仿真中的数值计算方法研究与实践
电磁仿真中的数值计算方法研究与实践电磁场仿真在电磁学和电子工程领域发挥着重要作用,可以帮助工程师和研究人员分析、设计和优化电磁设备和系统。
数值计算方法是电磁场仿真中常用的方法之一,本文将对电磁仿真中的数值计算方法进行研究与实践,探讨其原理、特点和应用。
在电磁仿真中,数值计算方法主要包括有限差分法(Finite Difference method,简称FDM)、有限元法(Finite Element Method,简称FEM)和时域积分方程方法(Time Domain Integral Equation method,简称TDIE)。
这些方法都是基于数值离散的原理,通过将连续的电磁场问题离散化为离散网格上的有限点问题,采用数值计算方法求解得到电磁场分布。
首先,我们来研究有限差分法。
有限差分法是一种常用的数值计算方法,其基本原理是对电磁场的微分方程进行近似,将微分算子替换为差分算子,通过离散网格上的节点上的估计值来求解。
有限差分法简单易懂,计算效率高,尤其适用于规则结构网格的情况。
然而,有限差分法需要网格分辨率较高才能得到精确的结果,对于存在复杂几何形状的问题,可能出现数值误差较大的情况。
接下来,我们研究有限元法。
有限元法是一种广泛应用于工程问题的数值计算方法,其基本思想是将求解域划分为多个小区域(有限元),通过在每个小区域上建立局部近似函数,将原始的微分方程转化为多个局部方程组,通过求解这些局部方程组,最终得到整个求解域上的电磁场分布。
有限元法适用于各种复杂几何形状的问题,并且具有良好的数值稳定性和精度。
然而,有限元法的计算量较大,需要较长的计算时间,并且对于非线性和时变问题的处理稍有复杂。
最后,我们来研究时域积分方程方法。
时域积分方程方法是一种基于时域的电磁场求解方法,它将电磁场问题转化为时域的积分方程,并通过在时域上进行数值积分求解得到电磁场分布。
相比于频域方法,时域积分方程方法具有较好的时域分辨率,可以更好地处理信号的时域演化。
电磁场数值计算的算法研究
电磁场数值计算的算法研究1.引言电磁场是物理学研究的重要对象,其数值计算是一项重要而复杂的技术。
随着计算机技术的发展,数值计算算法在电磁场数值计算中起着至关重要的作用。
本文将从有限元算法、边界元算法和时域积分方程算法这三个角度来探讨电磁场数值计算的算法研究。
2.有限元算法有限元算法是一种通过将连续的物理量离散成有限个元素来求解偏微分方程的数值解法。
在电磁场数值计算中,有限元算法将电磁场分离成有限个单元,通过求解单元之间的边缘上的麦克斯韦方程组来计算整个电磁场。
有限元算法具有以下特点:(1)计算结果精度高,可适用于求解各种形状的几何体系的电磁场问题;(2)计算需要大量的计算和存储空间,计算效率低下;(3)需要先进行网格划分,对初学者而言算法复杂度较高。
3.边界元算法边界元算法是一种只在物体表面上求解电磁场分布的数值方法。
这种方法将物体表面分割成小的元素,但不需要将它们推广到整个计算域,因为电磁场的值可以直接计算在表面上。
边界元算法具有以下优势:(1)只需要计算物体表面上的电磁场,因此大大优化了计算和存储;(2)不需要先进行网格划分,计算效率较高;(3)可计算并模拟较复杂的电磁场情况,如涉及多个天线、天线阵列等。
4.时域积分方程算法时域积分方程方法是在时域建立电磁场的积分方程,通过求解得到时间域的电磁场分布。
该方法适用于比较大和复杂的电磁场问题,并且可以用于不稳定状态下的电磁场数值计算。
时域积分方程算法具有以下特点:(1)可以适应全频段的波形分布,包括强磁场和爆炸波等;(2)能够模拟和计算在时间域内变化的电磁场问题;(3)计算量大、需要海量存储空间,计算效率低下。
5.总结电磁场数值计算是一项重要而复杂的技术,有限元算法、边界元算法和时域积分方程算法都是电磁场数值计算中常用的算法。
不同的算法有其优势和局限性,因此应根据实际情况选择合适的算法。
由于算法的特点和计算要求不同,涉及到的具体方法和计算实现也有所不同。
电磁场数值模拟技术研究及应用
电磁场数值模拟技术研究及应用电磁场是大自然中存在的一种物理现象,生活中随处可见,如电磁波、电子等。
电磁场的研究和应用具有重大的科学价值和现实意义。
电磁场数值模拟技术是一种重要的手段和方法,可以精确地模拟电磁场的分布和变化规律,为电磁学研究及其应用提供了有力支撑。
一、电磁场数值模拟技术的基本原理电磁场数值模拟技术是指利用计算机对电磁场进行数值计算和模拟的方法。
其基本原理是以数值计算方法为工具,通过处理电磁场的微分方程,求解电场、磁场的空间分布。
数值模拟的程序算法由电磁学理论和计算数学两方面相结合而来。
在进行电磁场数值模拟时,需要根据所研究的具体问题,选择适当的数值计算方法、数值模型、边界条件和参数等。
数值模拟还需要借助各种先进的软件和编程语言等工具,有效地进行计算和分析。
二、电磁场数值模拟技术的应用领域电磁场数值模拟技术的应用范围十分广泛,主要包括以下几个方面:1、电磁场理论研究:电磁场数值模拟技术在电磁场理论研究中具有重要地位,可以通过计算和模拟来解决传统理论方法无法解决的问题,为电磁理论研究提供新的途径和手段。
比如计算电磁场在复杂介质中的传输和反射特性等。
2、电磁场计算机仿真:电磁场数值模拟技术可以通过计算机对电磁场的分布和变化规律进行仿真,以便更有效地进行电磁场系统的设计和优化,提高电磁场系统的性能和稳定性。
比如计算电磁场在通讯系统中的传输和干扰特性等。
3、电磁场成像和检测:电磁场数值模拟技术可以通过模拟电磁场的传播和反射,实现对物体内部电磁场的成像和检测,具有广泛的应用前景。
比如计算医学中的电磁场成像和检测等。
4、电磁场工程应用:电磁场数值模拟技术在电磁场工程应用中也具有广泛的应用。
比如计算电磁场控制装置的特性和性能等。
三、电磁场数值模拟技术的优缺点电磁场数值模拟技术具有如下优点:1、精度高:电磁场数值模拟技术可以非常精确地描述电磁场的分布和变化规律,可以反映出真实电磁场的各种特征和性质;2、适用范围广:电磁场数值模拟技术适用于各种电磁场问题的分析和计算,可以解决传统理论方法所不能解决的问题;3、可视化:电磁场数值模拟技术的计算结果可以通过图像和动画等方式进行展示,使分析和认识更加直观和深入。
电磁场数值分析
电磁场数值分析引言电磁场是物理学中一个重要的研究领域,涉及到各种现实世界中的物理现象,如电磁感应、电磁波传播等。
为了更好地理解和研究电磁场,数值分析成为一种重要的工具。
本文将介绍电磁场数值分析的基本概念、方法和应用。
电磁场基本概念电磁场指的是由电荷和电流引起的电场和磁场的组合。
电场是由电荷引起的一种物理场,其描述了电荷间的相互作用。
磁场则是由电流引起的一种物理场,其描述了电流的磁性效应。
电磁场的数值分析主要涉及以下概念:1.电场强度:指在某一点产生的电场的强度,通常用矢量表示。
2.磁场强度:指在某一点产生的磁场的强度,也通常用矢量表示。
3.电势:指在某一点产生的电场对单位正电荷所做的功。
4.磁感应强度:指在某一点产生的磁场对单位正电荷所做的功。
电磁场数值分析方法电磁场数值分析基于数值计算方法,通过离散化的方式将连续的电磁场问题转化为离散的数值问题。
常用的电磁场数值分析方法包括有限差分法(Finite Difference Method, FDM)、边界元法(Boundary Element Method, BEM)、有限元法(Finite Element Method, FEM)等。
有限差分法有限差分法是一种基于差分近似的数值计算方法,将连续的变量离散化为有限个节点上的变量。
在电磁场数值分析中,有限差分法通常用于解决电场或磁场的分布问题。
该方法将空间离散化为网格,通过差分近似计算相邻节点间的电势或磁感应强度。
边界元法边界元法是一种基于积分方程的数值计算方法,将连续的物理场问题转化为边界上的积分方程。
在电磁场数值分析中,边界元法通常用于解决边界值问题,如电势或磁场在给定边界上的分布。
该方法通过将边界上的物理量表示为边界上的基本解的线性组合,通过求解线性方程组得到物理量的数值解。
有限元法有限元法是一种基于变分原理的数值计算方法,将连续的问题离散化为有限个元素上的问题。
在电磁场数值分析中,有限元法通常用于解决较为复杂的问题,如非线性材料的电磁场问题。
电磁场数值模拟的方法及其应用研究
电磁场数值模拟的方法及其应用研究电磁场是一个极其重要的物理现象,它在日常生活和科学研究中都扮演着至关重要的角色。
电磁场数值模拟是解决一系列电磁学问题的重要手段,例如雷达与通信,电力系统,计算机芯片设计等。
这篇文章将从电磁场的基本原理开始,介绍一些常用的数值模拟方法,以及如何应用这些方法来研究电磁现象。
1. 电磁场基本原理电和磁都是物质中基本的对称物理量。
电荷和电场是描述电的量,而电流和磁感应是描述磁的量。
电和磁在物理上紧密关联,并且它们被归纳到一起来描述电磁学。
电磁学包括了电荷、电场、电流、磁场和电磁波等概念。
电磁场的本质可以用麦克斯韦方程组来描述。
这个方程组包括了四个式子,它们描述了电荷如何产生电场和磁场,以及它们又如何影响电荷的运动。
这些方程中的每一个单独解释着一段电磁现象,当它们联合起来时则系统描述了电磁学。
2. 数值模拟方法数值模拟是一种通过计算机技术来求解微分方程的方法,这种微分方程由于其复杂性不容易用解析方法求解。
在电磁场数值模拟中,求解的模型可以是二维的、三维的并且需要满足一些特定的边界条件。
本节将介绍一些常用的数值模拟方法,它们用于求解麦克斯韦方程组和计算电磁场。
2.1 有限元方法有限元方法是数值模拟中常用的数值解法之一。
有限元方法将求解区域分割成若干个小区域并且且将方程转换成代数方程。
每个代数方程都包含了小区域的一个或多个节点,以及在这个节点上的未知数。
通过组成更大的矩阵,并采用迭代算法,可以求解整个方程组。
在电磁场数值模拟中,有限元方法可以用于求解稳态或者动态问题,例如用于求解电场、磁场分布等。
有限元方法优点是可以灵活地处理计算区域,及良好的高阶精度。
但它的缺点是计算量大,需要大量的计算资源。
2.2 有限差分法有限差分法是数值解微分方程中的另一种常用方法。
它通过对微分方程中的导数进行数值逼近,构建一个代数方程的数值计算方法。
与有限元法不同的是,有限差分法构建方程时不需要将求解域划分成小单元,而是在整个求解域上逼近微分方程。
电磁场的数值计算方法与应用
电磁场的数值计算方法与应用引言:电磁场是物理学中一个重要的研究领域,它涉及到电磁波、电磁感应等多个方面。
为了更好地理解和应用电磁场,科学家们开发了各种数值计算方法。
本文将介绍电磁场的数值计算方法及其应用。
一、有限差分法有限差分法是一种常用的数值计算方法,它将连续的电磁场问题离散化为离散的网格点问题。
通过在网格点上近似计算电场和磁场的导数,可以得到电场和磁场在空间中的分布情况。
有限差分法的优点是简单易懂,适用于各种电磁场问题的求解。
例如,可以利用有限差分法计算电磁波在介质中的传播,或者计算导体中的电磁感应现象。
二、有限元法有限元法是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法,它可以用于求解各种复杂的电磁场问题。
有限元法将电磁场问题离散化为一系列的小区域,称为有限元。
通过在每个有限元上近似计算电场和磁场的分布,可以得到整个电磁场的数值解。
有限元法的优点是适用于各种不规则形状的区域,可以处理复杂的边界条件和材料特性。
例如,可以利用有限元法分析电磁场在电机中的分布,或者计算电磁屏蔽结构的性能。
三、边界元法边界元法是一种特殊的数值计算方法,它将电磁场问题转化为在边界上求解的问题。
边界元法通过在边界上近似计算电场和磁场的分布,可以得到整个电磁场的数值解。
边界元法的优点是可以减少计算的自由度,提高计算效率。
例如,可以利用边界元法计算电磁波在散射体上的散射现象,或者计算导体表面的电磁场分布。
四、数值计算方法在电磁场问题中的应用数值计算方法在电磁场问题中有着广泛的应用。
例如,在通信领域中,可以利用数值计算方法分析电磁波在天线和传输线中的传播特性,以及在无线通信系统中的传播损耗和干扰现象。
在电力系统中,可以利用数值计算方法分析电磁场对输电线路和变压器的影响,以及计算电力设备的电磁兼容性。
在电子设备设计中,可以利用数值计算方法分析电磁场对电路元件的耦合和干扰,以及计算电磁屏蔽结构的性能。
总之,数值计算方法在电磁场问题的研究和应用中发挥着重要的作用。
电磁场的数值计算方法
电磁场的数值计算方法:数值计算方法是一种研究并解决数学问题数值近似解的方法,广泛运用于电气、军事、经济、生态、医疗、天文、地质等众多领域。
本文综述了电磁场数值计算方法的发展历史、分类,详细介绍了三种典型的数值计算方法—有限差分法、有限元法、矩量法, 对每种方法的解题思路、原理、步骤、特点、应用进行了详细阐述, 并就不同方法的区别进行了深入分析, 最后对电磁场数值计算方法的应用前景作了初步探讨。
关键词:电磁场;数值计算;有限差分法;有限元法;矩量法引言自从1864 年Maxwell 建立了统一的电磁场理论,并得出著名的Maxwell 围绕电磁分布边值问题的求解国内外专家学者做了大量的工作。
在数值计算方法之前, 电磁分布的边值问题的研究方法主要是解析法,但其推导过程相当繁琐和困难,缺乏通用性,可求解的问题非常有限。
上个世纪六十年代以来,伴随着电子计算机技术的飞速发展,多种电磁场数值计算方法不断涌现,并得到广泛地应用,相对于解析法而言,数值计算方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。
但各种数值计算方法都有一定的局限性,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决,因此如何充分发挥各种方法的优势,取长补短, 将多种方法结合起来解决实际问题,即混合法的研究和应用已日益受到人们的关注。
本文综述电磁场的数值计算方法,对三种常用的电磁场数值计算方法进行分类和比较。
电磁场数值计算方法的发展历史在上世纪四十年代,就有人试探用数值计算的方法来求解具有简单边界的电磁场问题,如采用Ritz ,以多项式在整个求解场域范围内整体逼近二阶偏微分方程在求解域中的解。
五十年代,采用差分方程近似二阶偏微分方程,诞生了有限差分数值计算方法,开始是人工计算,后来采用机械式的手摇计算机计算,使简单、直观的有限差分法得到应用和发展,该方法曾在欧、美风行一时。
1964 年美国加州大学学者Winslow 以矢量位为求解变量,用有限差分法在计算机上成忻州师范学院物理系本科毕业论文(设计)1965年,Winslow 首先将有限元法从力学界引入电气工程中,1969 年加拿大MeGill 大学P. Silvester运用有限元法成功地进行了波导的计算Chari合作将有限元法应用于二维非线性磁场的计算,成功地计算了直流电机、同步电机的恒定磁场。
电磁场数值模拟的研究与应用
电磁场数值模拟的研究与应用随着科学技术的不断进步,电磁场数值模拟技术逐渐成为了一种非常重要的研究方法。
在实际应用中,电磁场数值模拟技术可以广泛应用于电磁场的分析、优化设计和电磁场调控等方面,为相关领域的研究与发展提供了重要的支撑。
本文将从电磁场数值模拟技术的基础概念、数值模拟方法与算法、应用场景及未来研究方向等方面进行探讨。
1. 电磁场数值模拟技术的基础概念电磁场是电荷运动所产生的物理场,是由电场和磁场嵌套在一起形成的。
电磁场数值模拟技术是通过计算机模拟电荷之间的相互作用以及电磁波在各种介质中的传播过程,从而得出电磁场的变化情况。
数值模拟是一种数学与计算机结合的方法,利用数学模型和计算机算法获取物理现象的预测结果。
电磁场数值模拟技术是将数值模拟方法应用到电磁场分析中,通过数学计算和仿真来分析电磁场的分布和变化规律。
2. 数值模拟方法与算法目前,电磁场数值模拟技术的发展已经形成了一套相对成熟的数值模拟方法链。
数值模拟方法主要包括有限元法、边界元法、有限差分法、谱元法等。
这些数值模拟方法在不同的应用场景下,可以计算电磁场在空间和时间上的变化情况。
例如,有限元法是一种常用的数值模拟方法,它通过离散化的方式对电磁场进行建模,将复杂的电磁场问题简化为有限个局部问题。
然后,利用通用的数学软件对每个局部问题进行求解,并通过拼装局部问题的解来得到整个问题的解。
相比较其他方法,有限元法在计算不规则形状和复杂边界问题时的优势更加明显。
在数值模拟算法上,有限元方法中的求解问题是一种典型的大规模稀疏线性方程组求解问题。
目前,常见的求解算法有迭代法、直接求解法、前向回代法等。
不同的算法有着不同的优缺点,根据实际问题的不同,可以选择不同的算法。
3. 应用场景电磁场数值模拟技术在实际应用中有着广泛的应用场景。
在电子、通信、电力、矿业等众多领域中,电磁场数值模拟技术都发挥着重要的作用。
例如,在电力行业中,电磁场数值模拟技术可以用于电网电磁场监测和优化设计。
电磁场数值计算模型研究与优化
电磁场数值计算模型研究与优化随着科技的不断发展,电磁场数值计算模型得到了越来越广泛的应用。
它可以用来分析各种电磁场情况,比如发电设备中电磁场扰动分析、电磁辐射、电子设备的电磁兼容等问题。
本文将从数值计算模型的意义、方法以及优化方面详细探讨它的应用。
一、数值计算模型的意义电磁场的实测并不容易,但它却是各种电子设备工作的前提和基础。
通过电磁场数值计算模型,我们可以用算法模拟真实场景的电磁情况,以此预测可能的问题。
数值仿真是揭示电磁现象产生机理和解决电磁现象问题的一种非常有效和有用的工具。
例如,发电设备内部会因为电磁场产生扰动,如果随意忽略这种扰动的影响,那么设备的稳定性就很难得到保证。
此时,可以通过数值模拟计算,对电磁场进行分析,找出产生扰动的原因并提出解决方案。
在电磁兼容性方面,数值模拟可以预测在电子产品之间发生时可能产生的电磁干扰,当发现可能存在干扰问题时,就可以通过改变设备的布局或使用抗干扰部品来解决问题。
二、数值计算模型的方法电磁场数值计算模型的核心是求解麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组是描述电磁波在空间中四个基本物理量的传播规律和相互作用的方程式,它的求解是模拟电磁场分布的必要条件。
麦克斯韦方程组的求解通常采用有限元方法、有限差分法和边界元法等方法。
有限元法是一种能够通过将求解问题分成数个子问题进行求解的方法,这些子问题通过一个共同的边界条件相互联系,得到整个问题求解结果。
而有限差分法和边界元法则分别是以网格差分和基于边界条件法为基础的方法。
三、数值计算模型的优化电磁场数值计算模型难以使用精确的模型进行仿真,因为它需要耗费大量的计算资源和时间。
因此,如何优化模型的计算效率就成为了一个重要的研究方向。
(1)并行计算的应用并行计算是将一个大的计算问题按照合适的方式分成若干个子问题,在多个处理器或计算机上并行求解这些子问题,每个子问题通过同步和通信进行相互协调,最终得到整个问题的求解结果。
因此,对于数值计算模型的优化来说,采用并行计算可以有效缩短计算时间,并提高计算效率。
《电磁场理论与光波导技术》教学中数值分析工具的应用研究
《电磁场理论与光波导技术》教学中数值分析工具的应用研究蒋卫锋摘要《电磁场理论与光波导技术》是光电工程专业重要的专业基础课,也是后续电磁场相关课程的理论基础。
针对该课程教学特点,本文引入两种电磁波数值分析工具,包括COMSOL和Lumerical两种软件,给出光波导模式特性和传输特性分析方法。
给出构建理论与仿真实验相结合的实践课堂的一些思考,提升学生理论结合科研前沿的能力,锻炼学生积极主动思考解决问题,为提高《电磁场理论与光波导技术》教学效果提供有益参考。
关键词电磁场;数值分析;仿真计算中图分类号:TM15文献标识码:ADOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2020.27.011蒋卫锋南京邮电大学电子与光学工程学院,讲师,硕导,研究领域为硅基光电子集成器件与芯片。
0引言《电磁场理论与光波导技术》是光电工程专业重要的专业基础课,课程理论性很强、概念抽象、数学公式推导复杂,需要学生具备一定的理论基础和抽象思维推理能力[1]。
由此,该课程被公认为是一门难教难学的课程,与《模拟电路基础》并列为高校最难的两门课。
目前,大部分高校使用的课本都是20世纪的经典课本,导致一些最新前沿的知识无法直接讲授。
而且,有些教师在讲授该课程时只注重课本中的一些名词定义和公式推导,忽略了理论与科研前沿相结合[2-3]。
虽然课堂教学中教师卖力讲,但是学生听课积极性不高,互动不强,学生觉得枯燥乏味,教学效果不好。
光电工程专业学习该课程后续会有相关的光波导、光通信和光传感的相关课程。
如何在讲授《电磁场理论与光波导技术》理论的基础上,引入合适的教学实践内容,提升课堂的生动性,促进学生学习的积极性是该课程亟待解决的难题[4]。
1现有教学方法分析及改革建议1.1课前预习与回顾针对大学生学习过程中存在课前不预习,课后不复习的问题,该课程要求每一节课开始时都设置回顾环节,主要回顾上次课的内容。
回顾环节可以有效帮助学生回忆和巩26202027/321S c ie nce &T e c hno lo g y V is io n 图1三角单元图图2FDTD 算法矩形单元图固上次课的内容,特别有助于基础差和效率低的学生更好的导入课堂。
电磁场数值分析方法的若干研究 张晨颜
电磁场数值分析方法的若干研究张晨颜摘要:文章主要阐述电磁场分析的重要方法,即电磁场数值计算方法。
具体是对直接积分法、有限差分法以及有限元法三种常见分析方法的原理以及优势特征进行探究。
同时采用不同方法技能型求解,并对结果进行简要分析,发现只有在合理应用前处理技术基础上,各种数值分析方法的计算精确性才会有所保障。
关键词:电磁场;数值分析方法;直接积分法;有限差分法;有限元法测算与处理电磁场边值问题的方法主要有模拟法、图解法、解析法、数值法四种类型。
前处理、计算和后处理是所有工程电磁场数值分析的三大要素。
在静态条件下,电磁场分布均可归纳在一定边界条件下求解Poisson或Laplace方程。
阐述电磁场的麦克斯韦方程组有有微分与积分两种类型,不同数值计算方法的计算量离散化所参照的基本方程形式,可以细化为积分方程法与微分方程法。
本文对相关计算过程实施简化措施,并对不同电磁场数值计算的方法优势与弊端进行归纳。
1直接积分法③选择一定的代数解法(通常应用迭代法),编写相关计算流程,以获得相应待求边值问题的差分方程组,得到边值问题的数值解.有限差分法的主要内容通常涵盖三个方面:①差分方程的形成;②边界条件的处理;③方程的求解。
差分方程的推导通常采用泰勒级数法。
将电磁场的微分方程形式——泊松方程或拉普拉斯方程设为初始点,借助展开泰勒绿数的方式,列算差分方程。
结合现存的边界条件,结合具体情况修整边界上的节点的差分方程形式。
最后是对代数方程组———差分方程进行计算以获得最终结果。
同步迭代法、异步迭代法和超松弛迭代法石常见解题方法。
通常采用点超松弛迭代法和线迭超松弛迭代法。
但应用过程中的重点是合理选择松弛因子,只有在选择得当时迭代加速进程才会得到有效管控。
有限差分法的优点是能够较为快速的找出差分方程组,同时差分方程组自体也体现出简洁化特征,网格的剖分过程也没有太大技术含量,数据信息准备工作不会耗用太多时间,计算流程制定相对简易。
电磁场数值计算中数学建模方法研究
and Image Processing, 1980, (14):246-269 [5] 刘爱荣,曹中清 周本宽 一种自动划分三维有限元网格的新方
法[J] 西南交通大学学报 1997.6 [6] 余海涛,邵可然,罗俊华 有限元网格剖分 高电压技术 2004 [7] 赵斌,王旭 生成非结构网格的改进阵面推进法[J] 航空计算技
4 结束语
本文对电磁场数值计算中数学建模方法—— 网格生成方法进行了简单的论述,数学建模作为 对几何实体数值计算中的关键一步,被广泛应用 于许多领域。除了本文介绍的电磁场数值计算中 数学建模的几种网格剖分方法方法以外,还有拓 扑分解法、网格模板法、扫描发和特殊的网格生 成技术[10]等。网格生成方法是一个相当宽的研究 领域,随着高科技的发展要求,全自动生成网格 的方法将成为以后研究领域的重点。
参考文献
[1] Tautges,T, T.Blacker,S.Mitchell. The Whisker Weaving Algorithm: Aconnectivity-Based Method for Constructing All-Hexabedral Finite Element Meshes[J].Int.J.Numercial Methods in
映射法的优点:计算效率高、网格分布均匀、
1
排列整齐、便于直接生成四面体和六面体,可用 于曲面网格的生成。但对于形状较为复杂的形体 适应性差,需要首先用手工或自动方法将复杂形 体事先分解成若干形状简单的子域,但是这是一 个十分复杂且难以实现自动化的过程,并且各映 射块之间的网格密度相互影响程度很大,因此映 射法只是一种半自动化网格生成方法,不适应全 自动网格生成。 1.3 基于网格法(Grid-based Method)
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电磁场数值分析方法的若干研究张晨颜
发表时间:2018-05-23T17:08:53.507Z 来源:《基层建设》2018年第8期作者:张晨颜
[导读] 摘要:文章主要阐述电磁场分析的重要方法,即电磁场数值计算方法。
中国矿业大学孙越崎学院电气系江苏省徐州市 221000
摘要:文章主要阐述电磁场分析的重要方法,即电磁场数值计算方法。
具体是对直接积分法、有限差分法以及有限元法三种常见分析方法的原理以及优势特征进行探究。
同时采用不同方法技能型求解,并对结果进行简要分析,发现只有在合理应用前处理技术基础上,各种数值分析方法的计算精确性才会有所保障。
关键词:电磁场;数值分析方法;直接积分法;有限差分法;有限元法
测算与处理电磁场边值问题的方法主要有模拟法、图解法、解析法、数值法四种类型。
前处理、计算和后处理是所有工程电磁场数值分析的三大要素。
在静态条件下,电磁场分布均可归纳在一定边界条件下求解Poisson或Laplace方程。
阐述电磁场的麦克斯韦方程组有有微分与积分两种类型,不同数值计算方法的计算量离散化所参照的基本方程形式,可以细化为积分方程法与微分方程法。
本文对相关计算过程实施简化措施,并对不同电磁场数值计算的方法优势与弊端进行归纳。
1直接积分法
③选择一定的代数解法(通常应用迭代法),编写相关计算流程,以获得相应待求边值问题的差分方程组,得到边值问题的数值解.
有限差分法的主要内容通常涵盖三个方面:①差分方程的形成;②边界条件的处理;③方程的求解。
差分方程的推导通常采用泰勒级数法。
将电磁场的微分方程形式——泊松方程或拉普拉斯方程设为初始点,借助展开泰勒绿数的方式,列算差分方程。
结合现存的边界条件,结合具体情况修整边界上的节点的差分方程形式。
最后是对代数方程组———差分方程进行计算以获得最终结果。
同步迭代法、异步迭代法和超松弛迭代法石常见解题方法。
通常采用点超松弛迭代法和线迭超松弛迭代法。
但应用过程中的重点是合理选择松弛因子,只有在选择得当时迭代加速进程才会得到有效管控。
有限差分法的优点是能够较为快速的找出差分方程组,同时差分方程组自体也体现出简洁化特征,网格的剖分过程也没有太大技术含量,数据信息准备工作不会耗用太多时间,计算流程制定相对简易。
但是对于曲线边界等不规则的边界,处理难度会相应增加。
若区域的边缘线以及内部媒介分界线形体较为繁杂,并且场域布设形式多变时,因为差分法的网格剖分灵敏性较差,故此计算结果的测算过程将会受到层层阻碍。
有限差分法适用于对象有如下几种类型:①边界形状规则的第一类边界,第二类齐次边界;②静态场,时变场;③线性场,非线性场等。
3有限元法
有限元法是采用变分原理和离散化去获得近似解的方法。
电磁场的问题通常都可总结为求解的偏微分方程的边值问题。
有限元法不是采用直接偏微分方程去求解电磁场的,其将偏微分方程边值问题设为始发点,探寻一个能量泛函的积分式,并促使其其在满足第一类边界条件的前提提取取极值,等同于构建条件变分问题。
这个条件变分问题等同于偏微分方程边值问题。
在求解过程中,将场的求解区域细化陈可以量化的单元,在每一单元中,策略的认为对每一点的求解函数是在单元节点的函数值间随坐标变化而产生相应变化的。
故此插值函数在单元格中产生,把插值函数整合到能量泛函的积分式,继而将泛函离散化转型为数个多元函数。
继而求解极值。
借此方式获得一个代数方程组。
最后由此方程组求解得到数值解。
对第二有限元法是结合变分原理和离散化而获得相似值解的方法。
若场域中存有不同的
媒质,那么在媒质分界面位置的边界条件是自然边界条件时,相关的变化问题就被叫做无条件变分问题。
对于第一类边界条件则在变分问题中与微分方程边值问题中等同,需作为作为定解条件列出。
和有限差分法相比较,有限元法前处理相对复杂,但是计算流程编制可标准化,在计算机中所占空间相对较大,极值计算时间相对较短,计算工作量较大,但是结果精确度却较低。
并且对于单元的剖分通常体现出无规律性,故此制作单元剖分图和准备已知数据过程将会耗费大量时间,无边界区域使用该方法求解存在诸多不便。
结束语:
综合本文阐述的几种电磁场数值计算方法类细心,可以对一般步骤进行总结:①首先将求解的电磁场问题先写出其解析关系方程式,继而转型为为相应的代数方程。
数值计算的有
限差分法和有限元法是将微分方程转型为代数方程;②制定出求解相关代数方程的计算流程;③计算机计算,最后获得所求电磁场问题的数值解。
本文受篇幅的限制,对相关方法的阐述缺乏全面性,故此电磁场数值分析方法的推导工作应持续深入运行。
参考文献:
[1]王长清, 祝西里. 电磁场计算中的时域有限差分法[M]. 北京大学出版社, 2014,12(14).:1245-854.
[2]刘云,宋滔,王赟.大定源回线瞬变电磁场数值滤波算法[J].物探化探计算技术,2016,38(04):437-442.
[3]朱碧海,孟俊贤,姜维,贺小峰,刘银水.水液压数字阀的电磁场数值研究[J].流体机械,2013,41(09):25-28+43.
[4]吴永霞, 张甲, 梁旭彪,等. 大型汽轮发电机端部电磁场数值分析[J]. 机电工程, 2015, 29(3):249-252.
作者简介:张晨颜,性别男,籍贯:福建省惠安市,名族汉族,职称:学生。
研究方向:高压电,电磁场。