电磁场数值积分

F-111腹部一点上脉冲引发的 电流计算值与实测结果的比较
D
C
对称轴
A
B
z
上盖
内套
外套
衔铁
挡铁 骨架 线圈
直流阀用电磁铁
工程电磁场问题
物理模型简化
数学处理
线性、非线性数学规划问题
电磁场正问题数值分析 人机交互 电磁场正问题数值分析
改变决策变量值 计算目标函数值
技术；无损探伤技术等）； * 电子束曝光、离子束注入技术（大规模集成电路芯片制造）； * 广播、电视、移动电话、微波通信和光纤通信等； * 电磁热加工技术（感应加热、微波加热和微波炉等)； * 生物医学工程中的电磁技术（核磁共振CT、X线透视和肿瘤热疗法等）； * 超导储能技术； * 磁流体发电技术； * 纳米微晶磁性材料的应用； * 卫星太阳能发电站； ………………………………………
4800 kV 冲击电压发生器
高压 LC 振荡回路
均压环
电抗器（L）
分压器（C）
武汉高压研究所 UHV（1000kV） 试验基地
瓷绝缘子串
避雷线 三相分裂导线
关键技术研究点: • 超高压输电线防晕技术 • 输电线防雷技术； • 输电线融冰技术； • 绝缘子的优化设计； • 雷电过电压作用； • …………
软件（自编研发程序、商用软件包） 电磁场数值计算 + 相关的工程与设计知识
硬件 高速、大容量计算机的技术基础 以满足工程、系统日趋综合、复杂（“耦合”）和优化分析、设计的需要。
课程的地位、特征和任务
• 地位：
电磁场学科中的一门新兴的学科分支； 面向电磁场工程应用的重要技术基础课(电气工程、电气信息学科)。
导向电磁铁
长定子同步直线电机系统 纵向结构示意图
A
长定子铁心
A
Z
B
X
C
Y
N
S
N
A
支承磁铁
指定瞬间的磁场分布
y 直线发电机
x
对应的气隙磁场（B～x）分布
1
0.8
B (T )
0.6
0.4
0百度文库2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
超导磁体
时速: 550km/h 磁浮线里程：42.8 km
日本 MLX01 磁悬浮列车（EDS型）
18 分裂导线试验线（美国AEP）
* 现代战争中的电磁技术（导弹防御系统、隐身飞机、巡航导弹、 GPS系统、信息干扰等）
隐形轰炸机 B2
• 机身表面采用吸波材料； • 电磁波在机身表面散射——
i
r
i r
隐形轰炸机 F117
* 电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）技术； * 电磁探测（应用于油、气、矿藏、地层结构探测和气象预测等遥感、遥测
• 特征：
面向电磁场工程 数学、物理概念与工程观点的有机结合； 计算机辅助分析、设计（仿真研究） 与工程应用技术知识、能力的综合。
• 任务：
面向电磁场工程分析、设计的需要 培养 具有分析与解决工程电磁场问题的能力、 有初步编程和应用工程软件包能力的、 理论联系实际、有再学习、再创造潜能的 高层次的专门人才（高素质的创新型人才）。
电磁场数值计算
引言
课程背景
• 近代科学技术发展的需求：
相关学科之间的交叉、渗透 工程技术的综合、集成、智能化和优化（设计）
电磁场工程的定量分析（电磁场数值计算）
• 学科知识体系的延拓：
电磁场理论 应用数学 数值计算方法 计算机语言、编程和应用技术
新兴学科分支：电磁场数值计算
• 电磁场工程的 CAA、CAD 技术：
* 高能量密度的百万kW 级汽轮、水轮发电机设计、制造（优化）技术
1000MW 汽轮发电机 端部结构
定子绕组
定子端部绕组
转子绕组
压圈
关键技术研究点： 电磁力效应——定子端部绕组的振动与形变； 涡流场效应——端部漏磁场作用下，压圈的局部过热点。
1000MW 汽轮发电机端部 涡流场分布
定子端部绕组
压圈
例如：* 浦东国际机场磁悬浮线（EMS型磁浮列车）； 日本山梨磁悬浮试验线（EDS型磁浮列车）
时速: 430km/h 磁浮线里程：33km，全程运时 8 min
上海磁悬浮列车 （EMS型）
上海磁悬浮列车（EMS型）横断面视图
关键技术——
悬浮、驱动和导向 电磁系统
长定子同步直线电机系统
长定子
转子—— 悬浮（支承）电磁铁
（数据处理）
离散解 （数值解）
（后处理）
待求各物理量和电磁参解答, 图形显示等
偏微分方程的定解问题 (已知媒质、场源，求场分布）
积分方程问题* (已知媒质、定解条件，求场源分布) 变分问题
（已知能量泛函，求极值)
线性、非线性的 离散系统
结果的检验、实验 比较和校核
飞机对电磁脉冲的响应
FDTD网格空间中F-111飞机模型
课程内容组织与安排
• 学时数:
6学时/周× 8周 = 48学时
讲课： 36学时； 上机实践： 2学时/周× 6 （第4周～第9周的周四9/10节）= 12学时
• 课程内容:
第1、2、4篇（“电磁场正问题的数值分析”）
• 教材: “工程电磁场数值计算”
• 作业:
上机实践时,教师当场记录、评定平时作业成绩； 大型上机作业需提交书面的仿真分析计算报告。
转子绕组 气隙
* 超高电压电力系统及其装置的设计、制造（优化）技术
2000MVA/765kV 电力变压器
840MVA/550kV 主变压器
（三峡水电站）
40MVA/1000kV 试验变压器
关键技术研究点:
高能量密度设计下： • 主绝缘的优化设计； • 漏磁场的有效控制； • 铁心压板的局部过热； • 短路应力与结构稳定性； • 线圈的换位导线结构； • 雷电过电压作用； • …………
电磁场学科与电磁场工程
• 电磁场学科
研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律、分析计算方法， 并面向电气工程、电气信息学科的工程科学技术
电磁场工程应用的重要技术基础学科。
• 电磁场工程
基点：电磁场的有效控制和利用 理解近代科学技术成果、发展并实现新的科学技术成果——— 电磁场理论及其应用不仅是日趋发展的电工、电子和信息工程科学技术 的重要基础，而且也是旁及军事、生态、医疗、地质、航天等众多领域 新工程科学技术的生长点。
• 总成绩:
平时作业 + 大型作业成绩 （总成绩的 40%）
考试（开卷笔试）
（总成绩的 60%）
理想化假设
工程电磁场问题 理想化的物理模型
线性、非线性的连续系统
电磁场基本方程组 及其导出方程
定解条件： 初始条件 边界条件
数学模型
（
各种数值计算方法
前
处
理
）
离散的数学模型 （代数方程组）
代数方程 组解法