时变磁场激励下金属圆板的电磁力特征分析

电磁力的计算是电磁成形这一新型加工工艺的关键问题之一,目前在工程界多采用近似的磁压力公式pm=B2/2μ0。该公式对加工工件半径较大且外加磁场频率较高时较为适用,在外加磁场频率较低或工件半径较小时有较大误差。本文基于Maxwell方程组推导了在外加横向磁场作用下金属圆板上涡电流分布的特征,进而给出了电磁力解析表达式,在此基础上得到修正的电磁压力公式。分析结果表明:本文得到的修正磁压力公式在工件半径较大,外加磁场频率较高时和原磁压力公式趋于一致,对于小尺寸,外加磁场频率较低的情形也能进行模拟.这对低频磁场下,小尺寸工件的磁致成形工艺具有指导意义。     

磁控直流等离子体炬的磁流体动力学模型与仿真

以沉积金刚石膜的磁控直流等离子体炬为研究对象,在经典N-S流动方程和能量方程中引入多项源项(包括因外磁场和内部自感应磁场引起的洛伦兹力、辐射冷却、焦耳生热等),并结合组分质量守恒、广义欧姆定律及麦克斯韦方程组,建立了炬内等离子体的磁流体动力学(MHD)模型。利用二次开发后的FLUENT软件对所建MHD模型进行了仿真,得出了在有外磁场与无外磁场两种情形下,炬内及炬出口的温度和速度分布曲线。仿真结果证实,施加外磁场后,温度和速度的均匀性都得到了改善,有利于金刚石膜的沉积。     

MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟. 理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度. 数值上,通过空间HLLE格式、LU--SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst--k\omega双方程模型. 研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用. 施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3) 在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小, 但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.      

环状等离子体的平衡问题

在受控热核反应装置中,环状磁约束装置(包括托卡马克、仿星器及最近出现的很多新型装置如皱褶环、扭曲器、球马克等)是其中的主流。所有这类装置都会遇到一个共同的问题即平衡问题,也就是在等离子体的压力P的驱动下,等离子体环的大、小半径都趋向于膨胀,如何使大小半径维持不变,就是环状等离子体的力学平衡问题(简称平衡问题)。对于      

铁磁形状记忆合金双轴向力-磁耦合实验研究

对磁场和应力场共同作用下的单晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试与分析,分别获得了单晶Ni\-2MnGa试样在不同的压应力时、两个不同角度的磁场作用下的磁场-应变曲线。结果表明,当磁场垂直于应力时,磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变;当磁场平行于应力时,磁场方向的磁致应变要小于垂直于磁场方向的磁致应变,其磁致应变滞后环的面积远小于磁场垂直于应力时的滞后环面积。这为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

托卡马克中等离子体平衡的数值计算

一.引言 环形等离子体的理想磁流体力学平衡的自由边界问题,等人做了研究,但是仅给出a/R《1的圆截面等离子体柱平衡的分析结果。目前建造大型托卡马克装置时,要求纵横比a/R比较大,并且要能够准确的求出等离子体的平衡位形。本文用超松弛法求解平衡方程,得到计算自由边界问题的磁面的方法。自由边界问     

铁磁矩形简支板的磁弹塑性弯曲行为分析

基于广义变分原理得到的磁力计算公式,采用塑性增量理论,Mises屈服准则和有效的增量有限元计算方法,研究了线性强化材料铁磁矩形板的磁弹塑性弯曲行为。在文中定量模拟了铁磁简支矩形板在外加磁场作用下的挠度特征曲线,铁磁板发生塑性变形时的构型图和不同外加磁场下的中截面构型,以及铁磁板在卸载后的残余挠度特征曲线等力学特征,分析了塑性区域随磁场增加而扩展的情况。数值结果表明:当铁磁矩形板上的部分区域发生塑性屈服后,其变形明显大于相同磁场条件下铁磁板发生的弹性变形值;且随着外加磁场倾角的增大(0°<α≤45°),铁磁板进入塑性屈服状态的临界屈服磁场值减小;铁磁板的中截面构形为双半波型,其塑性区域由铁磁板两侧挠度最大的区域向板的中心区域扩展,板的中心最后进入塑性区域等。     

半无限粘弹杆的广义磁热粘弹问题

应用Lord-Shulman(L-S)和Green-Lindsay(G-L)广义热弹性理论,研究了在磁场中受移动热源作用的半无限长均质各向同性粘弹杆的磁热粘弹动态响应,并与经典耦合理论进行了对比.给出了杆的广义磁热粘弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解,计算得到了杆内温度、应力和位移的分布规律.研究结果表明:时间、热源移动速度和磁场大小对以上分布规律都有一定的影响.     

非理想情况下磁化球形重质气体物理爆炸的数值模拟

采用磁流体力学(magnetohydrodynamics, MHD)方程组对非理想情况下磁场对球形重质气体物理爆炸的作用过程进行数值模拟,同时,为了保证每一步中磁场散度为零,引入由12-solve CTU算法衍生出的CTU+CT算法。结果清晰地显示了重质气体团在磁场影响下的整个爆炸过程。在非理想情况下,爆炸过程中气体团界面产生液滴状结构,随着气体团被压缩,不稳定性现象最终得到抑制。从结果中看出,电阻和双极扩散效应会阻碍磁场对气体团的作用,同时,双极扩散效应还会增大磁压力的作用范围。     

两微极磁热弹性固体分界面上波的反射与折射

给出了磁场、热场和弹性场多场耦合作用下微极广义热弹性固体的一般控制方程.该方 程既包含了磁场、热场和弹性场的耦合作用,又在其广义热传导方程中涵盖了耦合热弹理论 (C-D)及其5类推广(L-S理论,G-L理论,G-N(II,III)理论和C-T理论).运用该微极广义磁热 弹性控制方程,研究了在定常磁场作用下, 具有均匀初始温度的两理想接触微极弹性介质平面分界面上磁热弹性波的反射和折射现象.给出了分别在缺少磁场、热场作用或不同广义热传 导理论下反射或折射热波、纵向位移波、耦合横向和微旋转波与入射纵向位移波的振幅比随 入射角变化的关系曲线.对缺少磁、热和微极性以及热松弛时间时对应的反射、折射系数进 行了对比.结果表明磁、热和微极性以及热松弛时间对振幅比均有不同程度的影 响,与磁、热和微极性一样,热松弛时间对不同类型波的影响能力差别明显,但对同 一类型的反射波和折射波的影响相似.     

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰, 一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效, 为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性, 针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究. 采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体, 结合爆炸问题的数值模拟方法, 获得爆炸场中电导率的时空分布, 计算磁场扩散率; 基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动, 实现爆炸产生磁场效应的二维模拟; 对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响, 结果表明: 炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响, 这种影响源自于电导率的巨大差异, 虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力, 然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动. 数值模拟结果与文献中的结果进行了对比, 模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好, 从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性. 本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候, 在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度, 而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.      

高超声速MHD球头激波脱体距离理论求解

高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场, 电离气体为磁场应用提供了直接工作环境, 磁流体流动控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律, 这可以有效改善高超声速飞行器气动特性. 激波脱体距离作为高超声速磁流体流动控制较为直观的气动现象, 受到研究者重点关注; 磁场添加后激波脱体距离发生变化, 其变化幅度直接反映磁控效果, 然而基于高超声速磁流体流动控制的相关理论模型较少, 需要进一步发展. 本文基于低磁雷诺数假设和偶极子磁场分布的条件, 通过对连续方程沿径向积分以及对动量方程采用分离变量的方法, 推导了高超声速磁流体流动控制下的球头激波脱体距离解析表达式. 理论分析结果表明, 激波脱体距离随着磁相互作用系数的增加而变大; 随着来流速度的增加, 磁相互作用系数变为影响激波脱体距离大小的主要因素. 本文理论模型可以达到快速评估磁控效果的目的, 对高超声速磁流体流动控制实验方案设计和结果分析具有一定的指导意义.      

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰,一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效,为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性,针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究.采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体,结合爆炸问题的数值模拟方法,获得爆炸场中电导率的时空分布,计算磁场扩散率;基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动,实现爆炸产生磁场效应的二维模拟;对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响,结果表明:炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响,这种影响源自于电导率的巨大差异,虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力,然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动.数值模拟结果与文献中的结果进行了对比,模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好,从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性.本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候,在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度,而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.     

磁流体动力学斜激波控制数值模拟分析

高超声速飞行器MHD(磁流体动力学)斜激波控制应用的关键在于理解等离子体斜激波流场与磁场的相互作用规律,这里发展了全MHD数值模拟方法对其进行研究,数值方法基于八波方程附加源项形式,进行有限体积离散,采用了Roe求解器、OC-TVD空间格式和LU-SGS方法,且采用投影方法降低磁场伪散度误差.考察外加均匀磁场的马赫10无粘导电拐角流动,压缩角为10°.结果中散度误差较低,并且通过激波参数验证了结果的准确性.流场显示,磁场使得激波角增大,部分情况下出现了快、慢激波结构,其中快激波变化更明显;壁面压强根据磁场的不同出现了不同程度的降低.最后采用群速度图方法进行了快慢激波形式分析,解释了磁场影响下流场形式变化机理.     

热等离子体与能源

1.热等离子体及其应用概述等离子体按温度分类是一种较常用的分类方法:粒子温度范围为10~6-10~(8°)K的等离子体称为高温等离子体,如太阳、聚变等离子体等;粒子温度范围为3×10~2-10~(5°)K的等离子体称为低温等离子体,其中按重粒子温度(即气体温度)水平和热力学平衡的程度还可分为热等离子体与冷等离子体.所谓热等离子体是指重粒子温度在3×10~3-10~(5°)K范围,各种粒      

磁流体饱和多孔弹性介质的瞬态响应特性

基于Biot流体饱和多孔介质理论及磁流体动力学理论,考虑了强导电性磁流体产生的磁压力对固体骨架的影响;将反映电磁力的Maxwell应力张量应用到Biot模型中,建立了磁流体饱和多孔介质的基本方程,并研究了内含圆柱形空腔的半无限磁流体饱和多孔介质处于均匀磁场中且其空腔表面受到均布瞬态荷载作用时的响应;利用积分变换,得到固体骨架应力场、位移场及磁流体压力场随时间变化的规律。数值计算结果表明:外加磁场分别为0、10A/m、100A/m时,各场变量随时间变化的规律和分布规律不变,但外加磁场的增大会使场变量的峰值及达到峰值的时间有所增加,且对其稳定值的影响甚微;在给定时刻,外加磁场强度越大,场变量沿径向达到恒定值的位置越靠近空腔表面;另外,磁压力对固体骨架的耦合作用效应较为显著。     

直接有限元法求解广义磁热弹二维旋转问题

为了验证直接有限元法求解广义磁热弹耦合旋转问题的有效性及准确性,该文基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,采用直接有限元方法,求解了置于磁场中的旋转半无限大体受热冲击作用的动态响应问题.文中给出了L-S型广义磁热弹耦合旋转问题的控制方程,建立了L-S型广义磁热弹旋转问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限...     

不可压缩粘性导电流体一维定常及不定常流动问题

1.引言 磁流体力学与流体力学的区别之一是有些物理量不能事先给定,这使得在确定边界条件时会遇到困难。例如,在一般情况下,磁场的边界值不能事先给定。因为当导电流体运动时,感应电流也将产生磁场,就使外加磁场发生畸变。忽视这一点,会使求出的解与实际情况不符。     

具有反向捕获磁场的θ收缩等离子体的磁流体力学平衡

研究了场反向位形的二维磁流体力学平衡问题。利用保角变换法求得了等离子体自由界面的解析表达式。作为例子计算了一些等离子体横截面的形状。用渐近分析法对实际上感兴趣的极限情况作了进一步的讨论,以确定等离子体截面的变化趋势。指出,只有纵向反捕获场通量小于主压缩场通量的1/8,等离子体宽度小于放电线圈半径的1/2时,平衡位形才存在。     

导电圆柱薄壳的热磁弹性效应分析

研究了磁场环境中受机械载荷作用的导电圆柱薄壳的热磁弹性问题．首先,根据电动力学方程和广义Ohm定律,得到了导电薄壳电流密度的分布,考虑到Joule热效应及热平衡方程,得到了导电薄壳的温度分布．其次,通过几何方程、物理方程、运动方程和电动力学方程导出了导电薄壳在机械场、电磁场以及温度场作用下的基本方程．最后,采用差分法及准线性化方法,得到了可以应用离散正交法求解的准线性微分方程组．对于导电圆柱薄壳,得到了Lorentz力表达式,并且推导了温度场积分特征值．讨论了导电圆柱薄壳应力、温度及变形随外加电磁参量的变化规律,并通过实例证实了可以通过改变电、磁、力场的参数来实现对薄壳的应力、应变、温度的控制．