渗流自由面分析的比例边界有限元法

为确定渗流自由面,利用比例边界有限元法对二维稳定渗流场进行分析.通过比例坐标与直角坐标之间的转换,推导渗流问题的比例边界有限元方程.利用比例边界有限元空间降低一个维度,并在降维方向保持解析的特点,只对求解域边界进行离散.当比例中心选在坝体上游直线边界和坝体下面不可渗透直线边界交点时,只需离散自由面及其下游边界.并给出一种控制溢出点的控制点法.对二维坝体的稳态渗流场自由面问题进行分析并与实验结果比较.结论表明,该方法收敛快、结果较精确、数据准备工作量小.     

一种基于磁通和电磁能流的磁扩散问题求解格式

针对一维磁场扩散问题设计一种显式的有限体积离散格式。格式的第一个特征是不仅将磁场的扩散表达为单元边界上的磁通流, 同时将能量方程中的欧姆加热也表达为单元边界上的电磁能量流, 该特征能够更好地保证磁场能与内能的总量守恒。格式的第二个特征是将单元边界上的磁通量和电磁能通量进行截断, 在极端电阻率存在的磁扩散问题求解过程中, 该特征能够一定程度上放宽稳定性条件对显式格式时间步长的限制。     

一种基于多矩的有限体积浸入边界法

基于多矩VSIAM3格式及浸入边界法,提出一套在复杂计算区域内求解不可压缩流动的数值格式.不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行离散,引入浸入边界法处理复杂、移动边界,使用虚拟网格方法计算动量方程修正项,同时还考虑了对连续方程的修正.使用标准算例对数值模式进行验证.     

间断有限元法求解一维矢量辐射传输

采用间断有限元法(Discontinuous finite element method,DFEM)求解一维散射性介质内矢量辐射传输问题。推导了散射性介质内矢量辐射传输方程的间断有限元离散格式,空间离散采用间断有限元离散将求解域划分为相互独立的单元,角度离散在传统的均匀分段光滑近似(Piecewise Constant Approximation,PCA)角度离散基础上进行局部加密以得到关键方向上的数值解。采用两个稳态矢量辐射传输算例对间断有限元法求解矢量辐射传输方程的正确性和计算效率进行了验证,在此基础上拓展间断有限元法应用于求解散射性介质内瞬态矢量辐射传输方程,将随着时间推移过程中的瞬态辐射信息和最终的稳态结果相比较验证了本文方法的正确性。     

用基于磁场的改进型有限差分法分析光波导的全矢量本征模

提出一种改进的有限差分法,用以求解全矢量磁场波方程,分析光波导承载的全矢量本征模.离散交叉项时,采用与波导结构无关的六点差分格式,考虑磁场分量的导数在芯包分界处的不连续性,比传统四点差分格式有更高的计算精度.分析阶跃型光纤、矩形和脊形光波导的全矢量本征模问题,给出全矢量基模的磁场分布及其归一化传播常数,揭示全矢量本征模的混合特性,所得结果与解析法、高精度模横向谐振法的结果吻合,验证了方法的收敛性与计算精度.     

基于等效磁路网络法的均匀正交磁场对环形磁芯等效电感的影响

电源中的磁性元件对外部磁场天然敏感,其工作特性直接影响电源的输出特性。实现背景磁场的建模是研究电源中磁性元件受强杂散磁场干扰问题的重要前提,但目前关注这一应用场景的相关研究较少,且常用的电磁场分析方法难以兼顾计算的精度和效率。基于等效磁路网络法提出了一种杂散磁场效应的分析方法,该方法将研究对象等效生成磁路单元,离散形成网络模型,并通过求解等效磁路系统方程得到模型的场量分布。以一款具体的环形铁氧体磁芯为例,利用等效磁路网络法计算了环形磁芯在直流激励和均匀正交磁场下的场量分布,分析了背景磁场对其等效电感的影响。通过对比等效磁路网络法与有限元法的计算结果,验证了该方法的准确性与高效性,且适用于电源受背景磁场干扰问题的分析。     

双曲型守恒律的一种五阶半离散中心迎风格式

给出一种求解双曲型守恒律的五阶半离散中心迎风格式.对一维问题,该格式以五阶中心WENO重构为基础;对二维问题,用逐维计算的方法将五阶中心WENO重构进行推广.时间方向的离散采用Runge-Kutta方法.格式保持了中心差分格式简单的优点,即不用求解Riemann问题,避免进行特征分解.用该格式对一维和二维Euler方程进行数值试验,结果表明该格式是高精度、高分辨率的.     

导热问题的有限单元边界积分方程方法

一、引言 边界元计算方法是七十年代迅速发展起来的一种数值计算方法,其主要优点是:将求解区域微分方程的问题转化成求解边界积分方程的问题,因而一般都把物理问题降了一维求解,使该方法计算效率和求解精度都较高.但它用于时关问题和非线性问题时,积分方程中还含有物理量的区域积分项,该方法的优点几乎全部消失.另外,在边界积分方程离散后,代数方程的系数矩阵为满阵.如果边界单元划分很多,其效率不如具     

基于解析法的超导发电机磁场分析与结构优化

混合型高温超导发电机采用高温超导带材作励磁材料,结构上与传统电机有较大的不同,设计方法也不尽相同.本文基于傅里叶变换将超导发电机的励磁集中绕组等效为沿转子圆周正弦分布的激励源,建立了超导发电机磁场分析模型.对电机气隙磁场分布进行了求解,并分析了不同绕组张角时气隙磁密波形中的谐波含量.通过参数化分析,研究了不同环境屏、转子的尺寸对电机功率密度的影响.采用有限元法对磁场求解结果进行了验证,结果一致性较好.研究结果表明,励磁绕组张角会对电机气隙磁密波形产生影响,合理设置超导发电机环境屏及转子结构,可以提高超导发动机的功率密度.     

求解叶栅跨音速流动反问题的有限体积方法

本文阐述了一种求解叶栅跨音速流动反问题的方法.流场的数值模拟以有限体积法为基础.应用这一技术设计叶型,型面上气流压力将达到预先规定的值.文中介绍了这种方法求解的基本方程系统和离散格式,着重讨论了壁面调整的方法、壁面压力的计算以及求解过程等问题.为论证方法的有效性,给出了几个跨音速涡轮叶栅的计算结果.     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

Effective scatterer approximation for mean field modeling with application to vegetation

A new electromagnetic method is developed for the mean field analysis of discrete random media in which particles are distributed in disjoint regions in space. This type of distribution can be observed in organized vegetation canopies, photonic band gap materials and disordered crystals. The method is based on an ‘effective scatterer’ concept. As far as the mean field is concerned, the random problem is approximated by a deterministic one composed of effective scatterers. Application of the effective scatterer approach to two-dimensional mean field propagation through a cylinder distribution that is periodic on average is verified by Monte Carlo simulations. Comparisons with other known methods such as the Foldy approximation are also presented.     

Effective scatterer approximation for mean field modeling with application to vegetation

A new electromagnetic method is developed for the mean field analysis of discrete random media in which particles are distributed in disjoint regions in space. This type of distribution can be observed in organized vegetation canopies, photonic band gap materials and disordered crystals. The method is based on an 'effective scatterer' concept. As far as the mean field is concerned, the random problem is approximated by a deterministic one composed of effective scatterers. Application of the effective scatterer approach to two-dimensional mean field propagation through a cylinder distribution that is periodic on average is verified by Monte Carlo simulations. Comparisons with other known methods such as the Foldy approximation are also presented.     

Calculation of transient dynamic stress intensity factors at bimaterial interface cracks using a SBFEM-based frequency-domain approach

A frequency-domain approach based on the semi-analytical scaled boundary finite element method (SBFEM) was developed to calculate dynamic stress intensity factors (DSIFs) at bimaterial interface cracks subjected to transient loading. Because the stress solutions of the SBFEM in the frequency domain are analytical in the radial direction, and the complex stress singularity at the bimaterial interface crack tip is explicitly represented in the stress solutions, the mixed-mode DSIFs were calculated directly by definition. The complex frequency-response functions of DSIFs were then used by the fast Fourier transform (FFT) and the inverse FFT to calculate time histories of DSIFs. A benchmark example was modelled. Good results were obtained by modelling the example with a small number of degrees of freedom due to the semi-analytical nature of the SBFEM. Supported by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education of China (Grant No. J20050924) and the Australian Research Council Discovery Project (Grant No. DP0452681)     

耦合势有限体积法高效模拟各向异性地层中海洋可控源的三维电磁响应

本文基于电场矢势与标势分解的耦合势有限体积法研究建立一套各向异性地层中海洋可控源电磁法的三维响应的高效数值模拟技术.首先引入电场的矢势和标势,将电场分解为无散场和无旋场之和,Maxwell方程转换为关于矢势与标势的混合Helmholtz方程,克服低感应数问题.在此基础上,借助Yee氏交错网格和有限体积法以及非均质单元中等效电导率公式,建立混合Helmholtz方程的离散方程.并采用直接法求解器PARDISO求解离散方程,有效保证在大的求解空间中仍然能够获得电磁场稳定可靠的数值解.此外,在数值模拟中利用差异场技术,克服源的奇异性问题,尽可能提高近场的计算精度.与解析解的对比证明了该算法的有效性.数值模拟结果表明,海洋可控源电磁法沿测线方向的电场,对油气藏的纵向电阻率敏感,对横向电阻率不敏感;对油气藏上方的覆盖层的纵向电阻率和横向电阻率都敏感.     

卷积完全匹配层在空爆电磁脉冲2维模拟中的应用

 在分析不同类型完全匹配层特点的基础上,选用了卷积形式完全匹配层（CPML）截断空中核爆电磁脉冲数值模拟的开放边界。从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的完全匹配层出发,构造了未分裂形式的完全匹配层,应用傅里叶变换的卷积定理,推导出2维旋转椭球-双曲正交坐标系下卷积形式完全匹配层介质中电磁场的迭代形式的离散方程。计算表明,采用CPML吸收边界方法使得截断的外边界处的场的计算误差大大减少。     

Non-linear dynamics and geometrical properties of localized wave structures

The present state of investigations of geometric properties of spatially localized configurations of electromagnetic wave fields with TE and TM polarizations is reviewed. The spatial structures of these field configurations are determined by their discrete amplitude spectra. The possibilities of controlled formation of localized field structure with different symmetries are analysed. The non-linear dynamics of such distributions, depending upon their initial geometric properties, are considered for series of realistic models of non-linear media. The utilization of adequate analytical methods, including a geometric analysis in special space, a generalized variational approach, an inverse scattering method for non-stationary processes, is illustrated. The new tendencies in non-linear dynamics of short polarized signals in directional systems are outlined.     

双色量子阱红外探测器顶部光子晶体耦合层的设计优化

采用三维时域有限差分算法(3D-FDTD)对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIP)的顶部光子晶体光输入耦合层结构的电磁场分布进行了仿真分析,得到了多种不同周期、占空比、深度的二维光子晶体结构耦合效率及电磁场分布.探索了一种双色探测器的光子晶体光输入耦合层结构的设计思路,使之可对中波/长波或长波双色8/12 μm同时提供较高的耦合效率. 关键词： 红外探测器 量子阱 光子晶体