电磁场数值分析-谢拥军3

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电磁场与电磁波公式总结 谢处方版

电磁场与电磁波公式总结 谢处方版

B dS 0
S
(2.6.7)P71
(2.6.3)P71
q D dS dV
S V
(2.6.4)P70
D
(2.6.8)P71
2.6.3 媒质的本构关系 1. D εE (2.6.9)P71 (2.6.10)P71 (2.6.11)P72
B H
C
q U
1. 双导体的电容计算 1 根据导体的几何形状,选取合适的坐标系 2 假定两导体上分别带电荷+q 和-q 3 根据假定的电荷求出 E
4 5


2
1
E dl 求得电位差 q U
求出比值 C
2. 部分电容 (1)电位系数 电位系数 自电位系数 互电位系数 (2)电容系数 电容系数或感应系数 自电容系数 互电容系数 3.1.4 静电场的能量 3.1.5 静电力 3.2 导电媒质中的恒定电场分析 3.2.1 恒定电场的基本方程和边界条件 1. 基本方程 恒定电场下: 积分形式:
dI
C
M
M dl M dS , J M :磁化电流密度 M:磁化强度
C C
J
S
M
dS
3. 磁介质内磁化电流体密度与磁化强度的关系: J M M 4. 磁介质表面的磁化电流密度: J SM M e n 5. 真空中的安培环路定理推广到磁介质: B 0 ( J J M ) 6. 磁场强度: H
0 I
2a
,I 是线电流,a 是圆环半径
B(r) dS B(r)dV 0
S V
(2.3.12)P48
J (r):电流密度矢量 12. 安培环路定理微分形式: B(r ) 0 J (r ) , 0:真空的磁导率,

电磁场数值分析-谢拥军

电磁场数值分析-谢拥军

(5.1)
H incrH rA jkF m
(5.2)
where 0/01/2 . Note that 0 k and 0 k/ .
Equations (5.1) and (5.2) can be thought of as an EFIE and MFIE, respectively, although it is noteworthy that there are some difference between these equations and those of the previous section describing the p.e.c. scatterer.
unknowns to be determined, it is usually moreconvenient to pose the problem directly in terms of the internal E and H fields.
NJ o te jt he0 eqru a1 tioE ns
5
EFIE and MFIE for dielectric scatterers and magnetic scatterers
In the special case in which the body in question is composed entirely
of dielectric material, terms involving equivalent magnetic currents and
7
involving electric current and charge density vanish, producing
EincrErF

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。

工程电磁场数值分析(有限元法)解读课件

工程电磁场数值分析(有限元法)解读课件

有限元法在工程电磁场中的应用
在静电场中,电荷分布是确定的,电场强度和电位是求解的目标。有限元法可以将连续的静电场离散化为有限个单元,通过求解离散化的方程组来得到电场强度和电位。
有限元法在静电场问题中能够有效地处理复杂的边界条件和电荷分布,为工程实际中静电场问题的求解提供了有效的数值分析方法。
在静电场问题中,有限元法将连续的求解区域离散化为有限个单元,每个单元内的电荷分布被假设为均匀分布。通过将电场强度和电位表示为单元中心点的插值函数,可以建立离散化的方程组。求解该方程组可以得到每个单元中心点的电场强度和电位,从而得到整个区域的电场分布。
静电场问题
总结词
详细描述
在静磁场中,磁力线是闭合的,磁场强度是确定的。有限元法可以将连续的静磁场离散化为有限个单元,通过求解离散化的方程组来得到磁场强度和磁感应强度。
有限元法在静磁场问题中能够有效地处理复杂的边界条件和磁场分布,为工程实际中静磁场问题的求解提供了有效的数值分析方法。
在静磁场问题中,有限元法将连续的求解区域离散化为有限个单元,每个单元内的磁场分布被假设为均匀分布。通过将磁场强度和磁感应强度表示为单元中心点的插值函数,可以建立离散化的方程组。求解该方程组可以得到每个单元中心点的磁场强度和磁感应强度,从而得到整个区域的磁场分布。
02
诺依曼边界条件
规定电场和磁场在边界处的法向分量,与狄利克雷边界条件一起使用。
STEP 01
STEP 02
ห้องสมุดไป่ตู้
STEP 03
有限元法基础
结构分析
用于分析各种结构的应力、应变、位移等。
流体动力学
用于分析流体流动、传热等问题。
电磁场
用于分析电磁场分布、电磁力、电磁感应等问题。

工程电磁场数值分析(有限元法)解读

工程电磁场数值分析(有限元法)解读

Ki , j Ni L(N j ) d

bi Ni f d

目标:建立节点变量之间满足的 代数方程组,即确定系数{Kij} 和 {bi}。依据的原理是加权余量法 使用的基函数为分域基。
基函数
有限元采用分片逼近的思想,跟 使用折线逼近一条任意曲线的做 法相同。使用分域基Ni,基函数 的个数等于节点的个数;每个基 函数Ni的作用区域是与该节点i相 关联的所有单元。
从而
Ni N j dxdy
e

( yi ym )( y j ym ) ( xi xm )( x j xm ) 4
再看边界部分:

e
Ni
N j n
d
(1)在节点 i 的对边jm上,Ni=0,故积分贡献为0; (2)在节点 i 的邻边ij上,由于计算
ICCG法
3. 有限元的前处理与后处理技术
建模
自动剖分技术 误差估计,h方法与p方法 可视化问题:等位线与电力线 电场力的计算
格林公式:

2
V( 2 )dV Nhomakorabea
S
dS
N j n d
K
(e) ij
N i ( N j )dxdy N i N j dxdy N i
e e e
i ( x, y) 因: Ni 1 1 ( x2 y3 x3 y2 ) ( y2 y3 ) x ( x3 x2 ) y 2
作业:
(1)研究方向为数值计算的同学: 编写一个二维静电场有限元程序, 计算右图所示问题,或其它自己找一 个问题。
(2)研究方向非数值计算的同学:
简要叙述有限元的原理,试分析计算精度可能跟哪些 因素有关;并归纳一下,有限元法与有限差分法有那些 相同点和不同点?

电磁轨道炮导轨电磁场数值分析

电磁轨道炮导轨电磁场数值分析

电磁轨道炮导轨电磁场数值分析本页仅作为文档封面,使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March电磁轨道炮导轨电磁场数值分析刘旭洋,李凡,刘平成,杨安波(中科院高能物理研究所,北京,100049)Numerical Analysis of Electromagnetic RailgunLiu-Xuyang,Li-Fan,Liu-Pingcheng,Yang-Anbo(Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences)摘要:电磁轨道炮作为一种新概念动能武器,由于具有发射速度高,加速时间短,能量释放易于控制等优点,使其在军事领域中有着巨大的应用潜力。

电磁轨道炮采用了电磁发射技术,本文在矩形电枢与简单轨道模型的基础上分析其磁扩散方程,以及在线电流模型下电枢的受力情况。

利用有限元分析软件Ansys-Maxwell 3D进行了轨道电枢上的电磁场计算。

关键词:电磁轨道炮;电磁场有限元计算ABSTRACT: Electromagnetic railgun as a new concept of kinetic energy weapons, has since the launch of high speed, acceleration time is short, easy to control the release of energy, etc., so that it has great potential in the military field. Electromagnetic rail gun uses electromagnetic emitting technology, on the basis of a simple rectangular armature orbit model using finite element analysis software Ansys-Maxwell 3D was the calculation of electromagnetic field on the track of the armature.KEY WORDS:electromagnetic railgun; finite element analysis of electromagnetic field作者简介刘旭洋,(1988-),男,辽宁籍,超导磁体与精密机械李凡(1993-),男,山西籍,光学方向刘平成(1993-),男,新疆籍,研究方向为核技术应用杨安波(1990-),男,湖北籍,粒子物理方向1 引言电磁发射装置是一种利用电磁力将弹丸加速到超高速的发射装置,可用于摧毁空间低轨卫星,拦截来袭导弹以及发射小型卫星等。

电磁场与电磁波课后答案谢处方

电磁场与电磁波课后答案谢处方

电磁场与电磁波课后答案谢处⽅第⼆章习题解答2.1 ⼀个平⾏板真空⼆极管内的电荷体密度为43230049U d x ρε--=-,式中阴极板位于0x =,阳极板位于x d =,极间电压为0U 。

如果040V U =、1cm d =、横截⾯210cm S =,求:(1)0x =和x d =区域内的总电荷量Q ;(2)2x d =和x d =区域内的总电荷量Q '。

解(1) 43230004d ()d 9dQ U d x S x τρτε--==-=??110044.7210C 3U S dε--=-? (2)4320024d ()d 9dd Q U d x S x τρτε--''==-=?11004(10.9710C 3U S d ε--=-? 2.2 ⼀个体密度为732.3210C m ρ-=?的质⼦束,通过1000V 的电压加速后形成等速的质⼦束,质⼦束内的电荷均匀分布,束直径为2mm ,束外没有电荷分布,试求电流密度和电流。

解质⼦的质量271.710kg m -=?、电量191.610C q -=?。

由21mv qU = 得 61.3710v ==? m s 故 0.318J v ρ== 2A m26(2)10I J d π-== A2.3 ⼀个半径为a 的球体内均匀分布总电荷量为Q 的电荷,球体以匀⾓速度ω绕⼀个直径旋转,求球内的电流密度。

解以球⼼为坐标原点,转轴(⼀直径)为z 轴。

设球内任⼀点P 的位置⽮量为r ,且r 与z 轴的夹⾓为θ,则P 点的线速度为sin r φωθ=?=v r e ω球内的电荷体密度为343Qa ρπ=故 333sin sin 434Q Q r r a aφφωρωθθππ===J v e e 2.4 ⼀个半径为a 的导体球带总电荷量为Q ,同样以匀⾓速度ω绕⼀个直径旋转,求球表⾯的⾯电流密度。

解以球⼼为坐标原点,转轴(⼀直径)为z 轴。

电磁场数值分析

电磁场数值分析

《电磁场数值分析》〔作业〕--- 2016学年 ---学院:学号:姓名:联系方式:任课教师:12016年6月6日2作业1一个二维正方形〔边长a=10mm)的静电场区域,电位边界条件如下图〔单位:V),求区域内的电位分布。

要求用超松弛迭代法求解差分方程组进行计算。

➢代码:hx=11;hy=11;v1=zeros(hy,hx);v1(hy,:)=ones(1,hx)*100;v1(1,:)=ones(1,hx)*50;for i=1:hy;v1(i,1)=0;v1(i,hx)=100;endw=2/(1+sin(pi/(hx-1)));maxt=1;t=0;v2=v1;3n=0;while(maxt>1e-6)n=n+1;maxt=0;for i=2:hy-1;for j=2:hx-1;v2(i,j)=(1-w)*v1(i,j)+w*(v1(i+1,j)+v1(i,j+1)+v2(i-1,j)+v2(i,j-1))/4;t=abs(v2(i,j)-v1(i,j));if (t>maxt)maxt=t;endendendv1=v2;endsubplot(1,2,1)mesh(v2)axis([0,11,0,11,0,100])subplot(1,2,2)contour(v2,20)➢结果:456作业2模拟真空中二维TM 电磁波的传播,边界设置为一阶Mur 吸收边界,观察电磁波的传播过程。

波源为正弦函数:sin()sin(2)25z t cE t n t ωπ==∆➢ 代码:xmesh=150; ymesh=150;mu0=4*pi*(1.0e-7); eps0=8.85e-12; c=3.0e-8; dx=1.0; dt=0.7*dx/c; timestep=200;ez(1:xmesh+1,1:ymesh+1)=0.0; hx(1:xmesh+1,1:ymesh)=0.0; hy(1:xmesh,1:ymesh+1)=0.0; coef1=dt/(mu0*dx);coef2=dt/(eps0*dx);coef3=(c*dt-dx)/(c*dt+dx);ezold=ez;for now=1:timestep;hx=hx-coef1*(ez(:,2:ymesh+1)-ez(:,1:ymesh));hy=hy+coef1*(ez(2:xmesh+1,:)-ez(1:xmesh,:));ez(2:xmesh,2:ymesh)=ez(2:xmesh,2:ymesh)-...coef2*(hx(2:xmesh,2:ymesh)-hx(2:xmesh,1:ymesh-1))-...coef2*(hy(2:xmesh,2:ymesh)-hy(1:xmesh-1,2:ymesh));ez(1,:)=ezold(2,:)+coef3*(ez(2,:)-ezold(1,:));ez(xmesh+1,:)=ezold(xmesh,:)+coef3*(ez(xmesh,:)-ezold(xmesh+1,:));ez(:,1)=ezold(:,2)+coef3*(ez(:,2)-ezold(:,1));ez(:,ymesh+1)=ezold(:,ymesh)+coef3*(ez(:,ymesh)-ezold(:,ymesh+1));ez(xmesh/2+1,ymesh/2+1)=sin(now*dt*2*pi*c/25.0);mesh(ez)pause(0.01)ezold=ez;end➢结果:78作业3基于Pocklington方程用MoM分析半波对称振子天线:观察天线线径和分段数目分别取不同值对天线阻抗和辐射特性的影响〔半径分别取0.001λ,0.0001λ,0.00001λ,分段数取11,21,31〕➢代码:%%初始化参数c=3e-8;r=1;f=c/r;w=2*pi*f;e0=8.85e-12;u0=4*pi*1e-7;a=0.0001*r;L=0.5*r;k=2*pi/r;N=31;dl=L/(N+1);l=L/2-dl/2;lz=-l:dl:1;lzs=lz(1:N);9lzm=lz(1:N)+dl/2;lze=lz(2:N+1);%%阻抗矩阵元素求解fi=log(dl/a)/(2*pi*dl)-k/(4*pi)*1j;fi_1=exp(-k*dl*1j)/(4*pi*dl);fi_2=exp(-k*2*dl*1j)/(8*pi*dl);z=ones(N,N);for m=1:Nfor n=1:Nif m==nfi1=fi;fi2=fi_1;fi3=fi_2;z(m,n)=((k^2*dl^2-2)*fi1+fi2+fi3);elseif abs(m-n)==1fi1=fi_1;fi2=fi;fi3=fi_2;z(m,n)=((k^2*dl^2-2)*fi+fi2+fi3);elsefi1=exp(-k*abs(m-n)*dl*1j)/(4*pi*abs(m-n)*dl);fi2=exp(-k*abs(m+1-n)*dl*1j)/(4*pi*abs(m+1-n)*dl);10fi3=exp(-k*abs(n+1-m)*dl*1j)/(4*pi*abs(n+1-m)*dl);z(m,n)=((k^2*dl^2-2)*fi+fi2+fi3);endendend%%电压矩阵求解V=zeros(N,1);V((N+1)/2)=-1*(1j*w*e0);I=z\V;Z_in=1/I((N+1)/2);disp(['输入阻抗=',num2str(Z_in)])I_amp=abs(I);Max=max(I_amp);Iunit2=[0;I_amp/Max(1);0];figure(1)h=0:dl/r:L/r;Ithe=sin(pi*h*r/L);plot(h,Iunit2,'b',h,Ithe,'r','linewidth',2)legend('pocklinton','解析值')grid onxlabel('电长度')11ylabel('归一化电流')%%方向图theta=0:0.01:2*pi;abs_f=zeros(1,length(theta));for n=1:1:Nabs_f=abs_f+I(n)*exp(k*(n*dl-L/2)*cos(theta)*1j); endabs_f=abs(sin(theta)*dl.*abs_f);Max_f=abs(sum(I)*dl);Far_patten2=abs_f/Max_f(1);theta_2=0:0.1:2*pi;Far_theory=abs((cos(k*(L/2)*cos(theta_2))-cos(k*L/2))./sin(theta_2));figure(2)polar(theta,Far_patten2,'-b')hold onpolar(theta_2,Far_theory,'or')hold offlegend('pocklinton','解析值')title('半波阵子天线E面方向图')figure(3)polar(theta,ones(1,length(theta)),'-b')12title('半波阵子天线H面方向图')%%半波阵子增益I_in=I((N+1)/2);A=(w*u0)^2/(4*pi*sqrt(u0/e0)*real(Z_in)*(abs(I_in))^2 );G_theta=A*abs_f.^2;Max_gain=max(G_theta);Max_gain_dB=10*log10(Max_gain);disp(['半波阵子增益=',sprintf('%.4fdB',Max_gain_dB)])➢结果:13141516作业4基于电场积分方程用MoM分析对称振子天线:计算振子总长度分别为0.25λ ,,λ,时,振子的输入阻抗和E面方向图。

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(
)
S
2
Located on the surface S and radiating in a homogeneous space having constitutive parameters ε1 and 1 . This property is a fundamental theorem of electromagnetics generally known as Huygens' surface equivalence principle.
Integrating both sides of Equation (3.5) over region 1 and applying the divergence theorem r r (3.6) ∫∫∫ Qdv = ∫∫ Q ndS + ∫∫ Q ndS
Γ1 S S∞
where n is the normal vector on the surface pointing out of region 1, produce r r r r r r r r (3.7) ∫∫ E1 × H 2 E2 × H1 ndS = ∫∫∫ E2 J1 H 2 K1 dv
r r ′ ′ + k 2 E 1 (r ′ ) = j ωε 1 e u r r 4π r r ′
r r r r jk r r ′
(3.12) (3.13)
r r e jk r r ′ H 1 (r ′ ) = ′ × u r r 4π r r ′
Γ2
ε 2 (r ) r 2 (r )
r
r r J 1 , K1
S
Γ1 ε1 , 1
S∞
n
2
Two reg(II)
Throughout region 1, Maxwell's curl equations can be written r r r (3.1) × E1 = jω1H1 K1 r r r × H1 = jωε 1E1 + J 1 (3.2) r × E2 = jω1H 2 (3.3) r r × H 2 = jωε 1E2 (3.4) We can construct
r 1 1 S J S ρe = jω r 1 S KS ρm = jω
Where S is the surface divergence operator.
(3.19) (3.20)
11

S
(
)
Γ1
(
)
Equation (3.7) can also be written as
∫∫ [ (
S
r r r r r r r r E1 n × H 2 H1 E2 × n dS = ∫∫∫ E2 J 1 H 2 K1 dv
Γ1
)
(
)]
(
)
(3.8)
4
Huygens' surface equivalence principle (I)
However, we have converted the problem from one requiring the solution of Equations (1.1)-(1.4) to one requiring the solution of Equations (1.13)-(1.16), with equivalent surface currents and charges defined respectively by Equations (3.17)-(3.18) and the continuity equations
r r r r r r r r E1 × H2 E2 × H1 = E2 J1 H2 K1
(
)
(3.5)
Equation (3.5) is a form of the Lorentz reciprocity theorem.
3
Two regions separated by a surface S (III)
7
Extinction theorem (I)
Region 1
ε 2 ( x, y , z ) 2 ( x, y , z )
ε1 , 1
p.e.c.
r r E1 , H1
S
Region 2
r r E2 , H 2
n
source
8
Extinction theorem (II)
r r Consider equivalent source J S and K S located on the mathematical
integration variable in (3.8). For these sources, Equation (3.8) can be written as
r K1 = 0
r r r r r (3.11) u E2 rr = ∫∫ E1 n × H 2 H1 E2 × n dS ′ S r r r Where E1 and H1 are the fields producedrat location r ′ in an r r infinite homogeneous space by sources J 1 and K1 located at r .
surface S and satisfying r r J S = n × H1 r r K S = E1 × n Where n is the outward normal vector.
(3.17) (3.18)
The fields in region 2 are NOT identical to those of the original problem; in fact, null fields are produced throughout region 2 by the combination of the original and equivalent sources. We can remove all the inhomogeneities from region 2 and leave a homogeneous medium with the same constitutive parameters as region 1.
Let us suppose that the sources in region 1 are
r r r δ (r r ′) J1 = u
(3.9) (3.10)
r r r denotes the source point in region 1 and r ′ represents the Where
[ (
)
(
)]
5
Huygens' surface equivalence principle (II)
These fields can be expressed in terms of the first sour-field relationship derived before, to obtain
-3Surface equivalence principle
Xie, Yongjun(谢拥军) Department of Microwave Telecommunication Engineering
1
Two regions separated by a surface S (I)
n
r r J 2 , K2
r r jk r r′ r r jk r r′
r +k r = u u E2 r jωε1
2
∫∫ (
S
r e r e n × H2 r r dS′ u × ∫∫ E2 ×n r r dS′ S 4π r r′ 4π r r′
)
(
)
(3.14) r r Equation 3.14 is a statement that the field produced by J 2 , K 2 at some location outside of region 2 can be expressed in the form of an integration over tangential fields on the surface of region 2. And the field is equivalent to that produced by surface current densities r r (3.15) J S = n × H 2 r r (3.16) K = E × n
9
Extinction theorem (III)
Region 1
ε1 , 1
ε1 , 1
r r E1 , H1
r r K S = E1 × n
Region 2 (null fields)
r r J S = n × H1
n
10
Conclusions
r r In fact, J S and K S are unknowns that remain to be determined.
where k = ω (1ε1 )1 / 2. Note that the derivatives are taken with respect to the primed coordinates.
6
Huygens' surface equivalence principle (III)
The Equation (3.11) can be converted to
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