电磁场分析范文（精选10篇）
电磁场分析 第1篇
随着我国人民生活水平的不断提高, 人们对人体暴露在电磁场中是否会对健康产生不良影响存在着很大的疑虑, 而且社会上的一些负面的消息, 也使人们对电磁场产生了很大的恐慌心理, 其中, 最重要的原因是在于对电磁场缺乏了解。因此, 本文借鉴国内外相关的研究结果, 结合日常高压输变电工程环境的影响与实际操作经验, 针对高压交流输电线路电磁场的产生机理及其对环境的影响作出分析与研究。
1 高压输电线路周围电磁场的产生机理
电场是由静止电荷在其周围空间产生的, 而磁场是由运动电荷在其周围空间同时产生的。当频率变低的时候, 电场和磁场是互不联系的。当频率变高的时候, 变化的电场和磁场就可以相互转换且存在着定量的波阻抗关系, 而且可以脱离电荷以波的形式把电磁能量传播到空间中。并且, 根据电磁场理论, 只有当一个电磁系统的尺度与其工作的波长一样的时候, 系统才能向空间发射电磁能量。
2 对输电线路周围的工频电场、磁场水平进行分析与研究
高压送电线路和大地之间的存在的位差, 形成了很强的工频电场。而电流通过时就会产生一定的工频磁场。其中, 对输电线路周围工频电场强度造成影响的主要包括:线路运行电压、线路参数、相序排列等。而对输电线路周围工频磁感应强度造成影响的主要包括:线路运行电流、相序排列等。其中工频电磁场与输电线路对地高度的关系为图1所示, 而工频磁场与输电线路对地高度关系为图2所示。
3 对高压输电线的电磁辐射进行分析
高压输电线的电磁辐射与电流、电压以及塔高等因素有关。而电磁场的强度是随着距离的减小而逐渐衰减的。一般情况下, 弧垂最低点, 电场强度最大。根据研究证明, 电磁场辐射的强度越大, 造成危害的程度也越大。而正是由于电磁辐射携带的极高电磁能量, 因此, 才会对周围的一切生物产生强烈的危害作用, 从而改变这些生物的电磁特性, 进而对这些生物的生理健康功能造车重大危害。
因此在人们的日常生活中, 我们要做到不在高压线下居住, 以便防止意外情况的发生。但是, 如果被迫有居民的房屋必须在靠近高压输电线路的地方, 那么人们一方面可以尝试在窗户上安装一些金属保护网, 因为, 金属门窗对电磁波有非常好的的屏蔽效果。另一方面, 在这里, 还要对一些长时间工作在电磁辐射场所的工作人员提出一些宝贵意见:首先要做到, 使用含有铁芯电抗器的操作工具, 其次是在在变电站工作的时候要注意将主控室、工作人员办公室以及休息室等尽量远离电磁辐射的房间。而且当干扰电磁场的频率高的时候, 我们的工作人员应当利用低电阻率的金属材料产生出来的涡流, 来阻止外来电磁波的影响, 从而达到屏蔽的效果。而当干扰电磁波的频率较低的时候, 我们的工作人员则要采用高导磁率的材料, 从而使磁力线被控制在屏蔽体的内部位置, 这样可以防止电磁波扩散到屏蔽空间中去。
4 高压输电线路中电磁场的影响
(1) 磁感应强度是由于水平分量与垂直分量共同作用决定的, 在不同的时间和地点有着不同的作用, 从而也会产生的不同作用的效果。
(2) 磁感应强度是受外在天气影响的。其中, 温度影响是最为重要的一个因素。但是相对于建筑物来说, 对它们的造成的影响就非常小。
(3) 因为建筑物和植物之间对电磁场有削减的作用, 因此在某一特定的环境中, 可以达到降低电磁污染的效果。由此可知, 在高压线下可以适当的种植一些花草树木, 这样可以减少对当地居住的人们过多的伤害。
5 总结减少输电线路周围电磁场水平的方法
(1) 升高杆塔高度。因为线路在杆塔每升高1 m的时候, 电场强度就会下降8%～10%, 而工频磁感应强度也会相应的下降15%～20%。
(2) 改变及加强导线的架设方式。相对于单回路线路来说, 必须要采用三角形排列的方式。
(3) 改变导线的排列顺序。相对于多回路输电线路而言, 必须要采用逆向排列的方式, 利用三相电的一些独有特性, 来降低工频电场强度和磁感应强度对人们的影响。
(4) 采用合理的屏蔽措施。在高压线路与地面之间合理的安装一些屏蔽线。
6 结语
随着社会的不断发展与进步, 我国的电力工业也正在走向一个美好的时代。然而, 随着我们用电的不断加大, 人们对高压输电线路所产生的电磁场也是十分担心的, 因为会给人们的身体造车很多的伤害, 甚至会威胁到生命健康。因此, 我国也做了许多研究, 从而得出结论:树木与建筑物对电磁场有着一定的削弱作用。所以, 我国的各个相关部门应当在高压线下种植一些花草树木, 这样可以削弱电磁场对人们的影响。从而使人们的生活与工作更加幸福与美好。
参考文献
[1]李蓉, 蒋忠勇.超高压送电线路下方空间电磁环境的研究[J].北方交通大学学报, 2000.
机载天线电磁兼容分析 第2篇
学号：2011201270
专业：电磁场与微波技术
机载天线的电磁兼容性分析
姓名：周慧
学号：2011201270 摘 要：天线布局和电磁兼容是机载系统设计的关键性问题。针对机载天线的特点，本文对机载天线的电磁兼容性的核心问题和主要解决途径进行了简要介绍，对常用的有限元法、物理光学、几何光学等天线电磁兼容技术分析方法进行了比较，结合机载天线的布局问题综合分析机载天线的电磁兼容技术。关 键 词：机载天线 ；电磁兼容 ；天线布局
一、引言
随着当今科学技术的不断进步，航空军用电子设备已成为C3I 系统实施指挥和获取情报的重要手段。预警机是情报、通讯、指挥和控制中心，要实现这些战术指标，就必然要在飞机这么一个有限的空间里布置大量的电子电气设备。飞机作为一个指挥控制单元，其工作频谱覆盖范围从甚低频（VLF）到超高频（UHF），在大功率高频（HF）和超高频（UHF）设备产生并通过天线辐射的电磁环境中，保证机载设备的兼容性是相当重要而复杂的问题。在飞机系统的研制、生产和安装过程中有必要研究其变化后的电磁环境，对其兼容性状态进行分析，从而保证机载系统的正常工作。
机载通信系统中，由于系统中无线通信设备比较多，而且还要综合考虑飞机的飞行性能，安放天线的位置就受到一定的局限，因此系统中EMC 的问题尤为突出，在无法摆脱自身设备EMC的前提下，要降低这种干扰只能通过天线布局的方法，通过降低各天线对间的耦合度达到减小干扰的目的。
研究飞机天线系统的电磁兼容性的关键就是确定机载天线的辐射特性，得到其辐射方向图。确定机载天线的辐射特性可以通过实验的方法，如利用暗室和飞机模型测试数据，但是这样会浪费大量的人力、物力和财力，因此研制机载天线系统电磁兼容预测分析软件己成为当务之急。EMC预测分析的目标是评估全机的电磁兼容性状态，分析是否存在电磁干扰，以便于总体采取措施排除，尽量减少干扰问题的出现，确定关键性区域和关键性设备，确定干扰测试的重点，并为今后系统及设备设计和系统使用提供数据。
二、机载天线电磁兼容的基本理论
天线的电磁兼容，指天线或天线系统在共同的电磁环境中，其自身性能既不下降又不影响其它天线性能的一种共存状态。即某一设备上的天线既不会由于受
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到处于同一电磁环境中的天线布局、载体、邻近散射体和其它天线的影响而遭受不允许的性能降低，也不会使同一电磁环境中其它天线性能遭受不允许的性能降低。值得指出的是，电磁环境除了包括安装天线的平台、平台上的其它天线、遮挡物、突出金属物以外，在这里还特别增加了一项“邻近散射体”。这里所说的邻近散射体，包括了邻近载体、地形地物和海面等。
从广义上讲，机载天线的电磁兼容性包含有两个基本概念，辐射限制和抗扰度限制。辐射限制是指在不需要的空间和不需要的频段上其辐射量的控制。抗扰度限制是指天线自身对恶意发射与难以避免的反射、散射、漏射、绕射、杂乱漫射、传导等电磁能量的响应能力。
三、机载天线电磁兼容的技术重点
机载天线对整个系统的电磁兼容性能影响非常明显。这主要是因为天线具有如下两个特点：
1、天线的功能是完成电磁能量从“场”到“路”的双向转换，即将空间中的电磁场能量接收至传输线内成为导波，或将传输线内的导波辐射至空间形成电磁波。
2、多数天线辐射能量大、接收灵敏度高。相对于导线、设备、孔缝等无意辐射源，天线辐射能量要大若干个数量级。
本质上讲，机载天线的电磁兼容的核心问题就是辐射限制和抗扰度限制。因此解决天线的电磁兼容应从以下三个方面着手：电磁兼容实现手段、电磁兼容效果计算分析和天线布局优化设计。
1、电磁兼容实现手段
目前实现天线之间电磁兼容的主要手段，是通过增加天线之间的隔离度削弱天线间的相互影响，而衡量天线之间相互影响强度的指标即天线的隔离度，机载天线之间的隔离度是描述天线之间耦合的一种方式，它充分反应了天线的方向性、增益、极化状态、带内带外特性和天线之间的空间对收发天线间能量耦合的贡献。为准确表达天线间的隔离程度，将发射天线的发射功率Pta与接收天线所接收的功率Pra的比值定义为天线隔离度（Pra为Pta经过各种衰减后被接收天线所接收的功率值），通常在工程应用中，以dB 为单位表示，即：
L(dB)10lgPta
（1）Pra当2个天线均处于彼此远区场的情况下，其能量耦合主要通过辐射场实现。
设发射天线发射功率为P ta，增益为Gt，接收天线的接收功率为Pra，增益
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为Gr。接收天线与发射天线间的距离为D，一般情况下，收发天线直视时的天线隔离度可由公式（1）所表达的物理意义求解。当收发天线外形尺寸与D 相比较小时，收发天线均可近似被认为是具有一定方向性的点源，则发射天线发出的电磁波可被近似为球面波，且在接收天线处可视作平面波，此时天线隔离度可表示为：
L(dB)LGG
（2）
dtr4D式中，L20lg为收发天线直视情况下的空间隔离，Ld由收发天线间的距d离D和分析波长λ等因素决定，Gt为发射天线在接收方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从机载发射天线增益方向图中读取；Gr为机载接收天线在发射方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从天线增益方向图中读取。
当收发天线之间的极化不完全匹配时，还要考虑极化失配带来的隔离度LP这一项，即总的天线隔离度为：
L(dB)LGGL
（3）
dtrp如果天线不能同时满足位于彼此的远区场，则2天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的，而是通过近区束缚场或近区感应场实现。
工程上圆极化对垂直极化或水平极化的损耗为3dB左右，垂直极化和水平极化间的失配损耗为20-35dB，由于机身表面天线的安装方位比较复杂，极化失配损耗要比以上2个值要小。
2、电磁兼容效果计算分析
机载天线的电磁兼容实施过程中一个重要的环节，就是以计算机为工具，利用电磁场理论和计算电磁学的相关知识，对天线电磁兼容性的效果进行仿真计算和分析。通常情况下，对单个天线结构的阻抗特性和辐射特性的分析往往采用数值方法，而对于天线之间耦合特性（隔离度）的分析（该文中仅指远场情况下），往往采用高频方法。
随着计算机性能的快速提高，电磁场数值计算技术日益成为应用电磁学领域内的一个研究热点。由于数值计算方法直接以数值的形式代替解析表达式描述和求解电磁场问题，故在理论上只要计算机配置足够高，等待足够的时间，就可以得到以任意精度逼近准确值的几乎所有电磁场问题的解答。常用的数值计算技术包括有限元方法（FEM）、时域有限差分方法（FDTD）和矩量法（MOM）等。
有限元法是非常具有代表性、应用范围广泛的频域数值方法。该方法以变分原理和剖分插值为基础，能处理任意形状的场域、多介质和复杂交界面等情况。其所形成的代数方程系数矩阵具有对称、正定和稀疏性的特征，因而收敛性好，3 / 6
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容易求解。由于具有这些优点，有限元法成为国内外学者的一个研究热点。但是有限元法虽然是一种灵活性强的数值计算方法，但它只适合于最大尺寸约为几个波长以下的物体。所以使用范围也受到一定的局限。
机载天线工作频率一般很高，而飞机一般有十几米到几十米长，因此机载天线系统是电大尺寸系统，对此系统的分析需要应用高频近似技术。高频近似技术是在相当严格的理论基础上发展的一系列近似方法和渐进的高频解析方法，一般可归纳作2 类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在基础上发展的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（ECM）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。
物理光学法是通过对表面感应场的近似和积分来求解散射场的，它克服了平表面和单弯曲表面所出现的无限大的问题。由于感应场保持有限，散射场也就同样有限。
几何光学是研究射线传播的一种理论，它是适用于计算电磁场零波长近似的高频方法。但是几何光学只研究直射、反射和折射问题，它无法解释绕射现象。当几何光学射线遇到任意一种表面不连续的情况，例如边缘、尖顶，或者在向曲面掠入射时，它将不能进入到阴影区。按几何光学理论，阴影区的场应等于零，但实际上阴影区的场并不等于零。为了解除几何光学场的不连续性问题，并对几何光学场计为零的场区中作出适当修正，引入了一种新的射线—绕射线，其对应的理论即几何绕射理论。
几何绕射理论的基本概念可以归结为以下3 点：
1绕射场是沿绕射射线传播的，这种射线的轨迹可以用广义费马原理确定。○2场的局部性原理：在高频极限情况下，反射和绕射这一类现象只取决于○反射点和绕射点临近域的电磁特性和几何特性。
3离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学的定律。○
3、天线布局优化设计
布局设计首先是天线自身的仿真与设计，其性能指标以能否满足应用要求为先决条件，但这往往还不够。实际中常会遇到这样的情况，单独看这个天线，其各项性能指标均合格，一旦配置到载体上，其主要参数幅度方向图和相位特性将有程度不等的劣化，此时必须对天线进行必要的修改，有时甚至需要重新进行方案论证与选择。
机载天线的布置应遵循如下的4个原则：
1飞机电子系统中各分系统的天线布置应充分发挥各分系统的战技性能，○完成各自所担负的任务。
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2分系统天线间辐射干扰影响尽量小，即尽量减少辐射耦合。○3要充分利用载体的遮档。○4实际天线布局设计是一个综合性的反复调整过程。○下面以一个实际的飞机来综合考虑分析其各天线的布置情况
图 1 某飞机的机载天线布局
1探测雷达天线布置 ○考虑飞机气动力学影响，可采用共形相控阵天线型式，并将天线置于机身两侧和前后。
2GPS天线布置 ○GPS 接收天线，它用于接收卫星信号，因此要安装在机身上方，且尽量远离探测雷达。
3ESM天线布置 ○无源探测（以ESM 为例）频带宽，接收灵敏度高，因此ESM 天线要远离那些落于其工作频带的发射源，故ESM 天线应安装于机身前后位置。
4JTIDS天线布置 ○对JTIDS天线布置考虑应空对空、空对地通信，因此将它安装于机身上下方。5通信天线尤其是V/UHF 天线数量多，频段宽，要考虑减少相互影响，合○理布局。
在初步确定了天线在载体上的布局后，就可进行机载天线耦合干扰及天线方向图的计算机预测与分析，通过不断的调整天线的位置，最终找到最佳的天线布局方案。
四、国内外机载天线布局和EMC的发展动态
西方发达国家早在二战后就对飞机的EMC做了大量的研究工作，特别是美
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国在六七十年代中期对电磁兼容性研究所做的工作，比较全面和系统地考察了航空、航天、航海领域中的电磁兼容机理，并进行了研究和分析，获得了大量的资料和经验，取得了较好的效果。如美军先后研究出F-4，F-15系列飞机EMC分析方法和数学模型，并将其应用于飞机的设计、研制和维修中，取得了许多技术成果和显著的经济效益。海湾战争、科索沃战争及近期的反恐战争等，使各国对美国等西方各种武器的先进性有了更直观的认识，而战争中美国飞机的卓越性能都体现了研究飞机天线系统EMC的价值。
我国在这方面研究起步很晚，与国外相比水平还远远落后，直到70年代后才开始着手研究，而且发展速度缓慢，导致我国与发达国家拉下很大距离。目前，我国已经有一些部门和单位开始重视并从事这方面的工作，实现技术的跨越式发展，可望在不远的未来赶上先进发达国家的水平，从而能够利用EMC控制，使系统和设备与环境相融合，完成对电子设备的一体化设计。
参考文献
辐射状磁场的电磁感应问题归类分析 第3篇
1.线圈与磁场平行
磁感线分布：磁感线呈辐射状，线圈平面与磁场平行，且线圈所在处的磁感应强度大小相等.
命题特点 将法拉第电磁感应定律与物体平衡条件、能量守恒定律相联系.
例题1 如图1所示，一个很长的竖直放置的圆柱形磁铁，产生一个中心辐射的磁场（磁场水平向外），其大小为B=K/r（其中r为辐
图1
射半径），设一个与磁铁同轴的圆形铝环，半径为R（大于圆柱形磁铁的半径），而弯成铝环的铝丝其横截面积为S，圆环通过磁场由静止开始下落，下落过程中圆环平面始终水平，已知铝丝电阻率为ρ，密度为ρ0，试求：
（1）圆环下落的速度为v时的电功率；
（2）圆环下落的最终速度；
（3）当下落高度h时速度最大，从开始下落到此时圆环消耗的电能.
分析 存在困难：在计算感应电动势时，学生往往以为因线圈平面与磁场平行，故穿过线圈的磁通量始终为零，线圈中的感应电动势为零，从而难以找到解题的突破口.
突破方法 运用等效方法，将圆形线圈等效为长为2πr的直导线在磁感应强度为B的磁场中做切割磁感线运动，则由E=Blv可求得感应电动势；另外也可以用E=ΔΦ/Δt进行求解，此时需将ΔΦ理解为线圈在Δt时间内扫过的面积ΔS与B的乘积，即ΔΦ=2πBrvΔt，则可解得E=ΔΦ/Δt=2πBrv
求解过程： （1）由题意知圆环所在处在磁感应强度B= k R
圆环的有效切割长度为其周长即l=2πR
圆环的电阻R电=ρ l S =ρ 2πR S
当环速度为v时，切割磁感线产生的电动势为E=Blv=2kπv
电流I= E R电 = kvS ρR
故圆环速度为v时电功率P=I2R
联立以上各式解得P= 2πk2v2S ρR
（2）当圆环加速度为零时，有最大速度vm
此时F安=BIl= 2πk2vmS ρR
由平衡条件mg=F安，又m=ρ0S×2πR
联立解得vm= ρρ0R2g k2
（3）由能量守恒定律mgh= 1 2 mv2m+Q，解得Q=mgh- k R mv2m=2πρ0RS·[gh- 1 2 （ ρρ0R2 k2 ）2]
2.线圈与磁场垂直
磁感线分布：磁感线呈辐射状，线圈平面与磁场垂直，且线圈中与磁场垂直的两条边所在处的磁感应强度大小相等.
命题特点：将法拉第电磁感应定律与物体平衡条件、能量守恒定律相联系.
例题2 某同学设计了一种自行车，它能自行发电供夜晚骑自行车时照明.自行车车头灯供电的小型发电机的结构示意图如2甲图所示.矩形线圈abcd固定在圆柱形铁芯上，过ad、bc边中点，平行于ab、cd的轴oo′固定在铁芯上，轴的另一端有一半径为r0摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘接触，当车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线框在磁极间转动，如2乙图所示.在磁极与圆柱状铁芯之间形成辐射状的磁场，ab、cd经过处的磁感应强度均为B，方向始终与两条边的运动方向垂直，俯视图如2丙图所示.设线圈的匝数为N，ab=L1，bc=L2，自行车前后轮的半径为R1，大齿轮的齿数为n1，小齿轮的齿数为n2.车头灯的电阻为R，线圈总电阻为r.该同学以每秒n转的速度踏动自行车脚踏板，自行车从静止开始经很短的时间后就能达到稳定速度.自行车与地面，摩擦小轮与后轮之间没有相对滑动.该同学的质量为m，自行车连同发电装置的质量为M，设骑自行车时所受空气阻力和地面的阻力的总和f与人车总重力成正比，比例系数为k.不计线圈、圆柱形铁芯、摩擦小轮的转动动能和所有转轴处摩擦消耗的能量.
（1）求稳定后，摩擦小轮的角速度ω0和车灯回路的电动势E
（2）若线圈逆时针转动（俯视），画出（从图示位置开始计时）流过车灯的电流随时间变化的图像，规定a→b→c→d→R→a为电流的正方向，（注意：要有必要的文字和公式说明）
（3）经足够长时间T，发现骑行的路程为S，人在时间T内消耗的体能转化成机械能部分的能量如何分配，各项分别是多少？
图2
分析 存在问题：在计算感应电动势时，学生因没有准确理解法拉第电磁感应定律E=ΔΦ/Δt，认为此题中磁感应强度的大小是变化的，故因该同时存在动生电动势和感生电动势.在求解过程中，由于字母很多，学生一不小心就把符号带错.
突破方法 首先要准确理解法拉第电磁感应定律E=ΔΦ/Δt，说明只有某地的磁感应强度随时间变化时，才有感生电动势，在具体求解时，可以从两个角度进行分析，一是从切割角度进行，这个线圈产生的感应电动势等于左、右两边切割磁感线产生的感应电动势之和，上下两边切割磁感线产生的感应电动势相互抵消；二是从法拉第感应定律E=ΔΦ/Δt角度进行，此时需要微元方法，求出在时间微元Δt的磁通量变化量ΔΦ=NBL2vΔt+NBL2vΔt=2NBL2vΔt，再运用E=ΔΦ/Δt可解得E=2NBL2v.
图3
求解过程： （1）设大齿轮、小齿轮的角速度分别为ω1、ω2，大齿轮、小齿轮的半径分别为r1、r2，由角速度公式ω=v/r得而ω1=2πn.
小齿轮与后轮角速度相同，后轮与摩擦小轮的线速度相同，小齿轮和摩擦小轮的角速度与半径成反比，即
解得线圈的电动势E= ，
因此E=
（2）电流大小为电流周期
线圈转动过程中产生的感应电流随时间的变化图形如图3所示
（3）根据能量情景分布图可知，人在时间T内消耗的体能转化成机械能部分的能量是三部分，一部分是人车的动能增加，一部分能量是用来克服车所受空气阻力和地面的阻力所做的功，还有一部分能量是各个电阻产生电热的.车到达稳定是车速，人车动能增加为
用来克服车所受空气阻力和地面的阻力所做的功为产生的总电热为
3.在由线圈与辐射状磁场相叠加的磁场中的电磁感应现象
磁感线分布：磁感线的分布呈曲线状，明确磁感应强调在x、y方向上的变化规律，其中一个方向上的分量随位移按线性变化，另一个方向上的分量按类似于的规律变化.
命题特点：根据题目所给信息，与物体的平衡条件相结合.
例题3 如图，超导圆环置于永磁体上方，永磁体产生的磁感应强度矢量对Z轴呈对称分布，在任意包含Z轴的平面内（Zp平面）有平行于Z轴的磁感应强度分量Bz和平行于p轴的分量Bp，无垂直于Z 平面的分量，B= B2p+B2z ，设Z=0平面 （永磁体的上表面）上方，BZ（p，Z）= α 1+z ， Bp（p，Z）=βp，（α，β>0，p= X2+Y2 ）
（1）半径为b的超导圆环轴线与Z轴保持重合，在外力支持下静止在Z=ZO处，t=0时超导圆环无电流流过，求此时超导圆环包围磁通量φO.
（2）t>0时，超导圆环在外力支持下缓缓下移，求圆环下落到Z处时的超导电流强度IS（已知超导状态下圆环包围的磁通量守恒，超导电流IS在超导圆环中产生的磁通量ΦS=LIS，L是常数）.
（3）求超导圆环在磁场中下落到Z处受到的磁悬浮力F（Z）.
（4）为了使超导圆环悬浮在Z>0处，求超导圆环质量m的最大允许值.
解析 这是一道信息题，它以复杂的磁场分布及超导性质为载体，考察学生对信息的提取能力和分析能力，解决这个问题的关键是：能通过题目中过给的“超导状态下圆环包围的磁通量守恒”，提取出ΦO=Φ（ZO）+ΦS，这一信息，从而求出感应电流I.
求解过程： （1）据题意，Z=ZO处，BZO（p，Z）= α 1+ZO ， S=πb2
所以ΦO=BZO， πb2= παb2 1+ZO
（2）题目给出的“超导状态下圆环包围的磁通量守恒”为破题关键，结合“超导电流IS在超导圆环中产生的磁通量ΦS=LIS”的条件
可知ΦO=Φ（ZO）+ΦS， 即 παb2 1+ZO = παb2 1+Z +LIS
IS=- παb2（ZO-Z） （1+Z）（1+ZO）L ，沿Z正方向看电流为逆时针
（3）超导圆环在磁场中下落到Z处受到的磁悬浮力F（Z）就是超导圆环受到的安培力F（Z）=ISβPI=Bb I=2πb
所以I（Z）= 2π2αβb4（ZO-Z） （1+Z）（1+ZO）L
（4）超导圆环悬浮，即重力与磁悬浮力F平衡，
最大超导圆环质量m，即当Z→0时
电磁场分析 第4篇
关键词：特高压直流,电磁场环境,有限元,分裂导线,输电线路
电磁环境主要包括电场效应、可听噪声和无线电干扰等, 是输电工程设计、建设和运行中必需考虑的重大技术问题之一。随着经济的不断发展和民众环保意识的增强, 输电工程的电磁环境影响越来越受到人们的关注, 成为输电线路设计时影响建设费用的重要考虑因素。因此研究特高压输电线周围磁场环境的分布具有重要的理论意义和实际意义。直流输电和交流输电的电磁环境[1]影响原理是不同的。直流电磁环境主要包括地面电场强度、离子流强度、磁场强度、噪音和无线电干扰等。直流场强对生态的长期影响尚未得出结论, 还没有关于直流场强对邻近直流线路的人员有任何有害影响的报道。本文以拟建的±800 k V直流输电线路为例, 用有限元方法对该线路的电磁场分布进行了分析。
1 直流输电工程对环境的影响
1.1 电场对生态的影响
电场[2]对生态造成影响主要是电流。当人或动物接触电场中对地绝缘的导电体时, 可能会产生有刺痛感的电流, 即电击。美国IEEE静电感应工作组通过对志愿受试者的实验得出, 对人有危险的暂态电击释放的能量大约为25 J。国际大电网会议1980年指出, 可以接受并能感觉到的暂态电击的平均电荷量约为3μC。
IEEE 2002年标准C95.6《IEEE Standard for Safety Level with Respect to Human Exposure to Electromagnetic Field, 0~3 k Hz》在综合分析一些研究结果的基础上指出:与地绝缘良好的人触摸接地导体, 当电场强度为5 k V/m时, 约7%的人能感觉到静电放电引起的疼痛感;当电场强度为20 k V/m时, 能感到放电引起的疼痛感。因此在特高压输电线路下, 应避免安放长而大的金属物体或使其接地, 这样可以避免稳态电击。
1.2 无线电干扰的计算
以八分裂导线作为实验对象, 运用国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) [3]推荐的公式计算分裂数对无线电的干扰:
式中:E为距正极导线的距离为D处无线电干扰水平, d B (μV/m) ;gmax为导线表面最大场强, k V/cm;r为子导线半径, cm;n为导线分裂数;D为距正极性导线的距离, m, 适用于D<100 m;ΔEf为干扰频率修正, 干扰频率为0.5 Hz时ΔEf=0, 即0.5 Hz为基准频率。
由文献[4-5]中的模拟电荷法计算得出本文中的gmax=20.269 k V/cm。因为两个导线之间的距离是22 m, 所以D=11 m。因此由式 (1) 可知E=45.1138 d B (μV/m) , 小于一般地区规定的极限值50 d B。
1.3 可听噪声的计算
可听噪声A采用美国邦维尔电管局根据实验结果推荐的预估公式计算[6]:
式中:gmax为导线表面最大电位梯度, k V/cm;deq=0.66*n0.64*d (n>2) ;d为子导线直径, mm;n为子导线根数;D为离正极性导线的距离, m;A1t为海拔高度, m, 海拔高度每增加300 m, 可听噪声增加1 d B。
2 直流输电线路磁场的计算
直流线路的磁场强度取决于导线中的电流值, 可根据下式计算:
式中:B为磁场强度, T;I为电流, A;D为计算点与导线间的距离, m;r为与电流对应的D方向上的单位矢量;μ为磁导系数, μ=4π×10-7T·m/A。
水平布置直流线路磁场如图1所示, 直流线路在 (x, y) 处产生的磁场可分解为垂直分Bv和水平分量Bh, 其计算公式如下:
其中
将直流线路正负极导线在 (x, y) 处产生磁场的垂直和水平分量分别叠加后, 该处的总磁场B等于垂直分量Blv加上水平分量Blh的平方根, 即
3 直流输电线路磁场的分布
输电导线中电流产生的磁场, 其标量值及矢量值可以与国际标准极限值做比较, 可用ANSYS建模计算该磁场的各种数值[7,8]。
拟建的±800 k V直流输电工程的额定电流为4 k A, 两个导线之间的距离是22 m, 离地高度为18 m, 为8分裂导线, 每分裂导线的半径为0.01 m。现取离地高度为1.5 m, 距离中心点为5 m的矩形作为磁场影响实验区域, 建模如图2所示, 左边为负800 k V的导线, 右边为正800 k V的八分裂导线。
建模导线采用的是8分裂导线, 导线半径为0.01 m, 所以添加的电流密度为3000/ (8×0.01×0.01×3.14) =1 194 267.5 A/m2, 则产生的磁力线如图3所示。
由图3可知, 在导线周围的磁力线密度最大, 离导线越远磁力线越稀疏, 其最大值为0.001 68, 最小值为-0.003 103。负800 k V分裂导线处产生的磁感应强度模拟图如图4所示。
同样, 在离分裂导线越近的地方产生的磁场强度越大, 每个分裂导线周围都会围绕自己产生磁场强度。
离地高度为1.5 m, 离中心点5 m的矩形边框上的磁感应分布曲线如图5所示。
由图5可知, 在中心点上方1.5 m处的磁感应强度对人体的影响最大, 产生的极值点为33.99μT。
现取电流为4000、5000 A时做同样实验, 发现由Ansys绘出的对应图形与3000 A对应的图形相似, 只是数值产生的了变化。此变化用matlab[9]做曲线拟合, 如图6所示, 在此不加以分别赘述。
可以发现在电流等级为3000、4000、5000 A时, 一相导线周围的磁感应强度平滑增加。4000 A时磁感应强度的最大值为0.008 321 T, 5000 A时最大值为0.010 399 T。同样对不同电流时导线周围的磁力线做了曲线拟合, 如图7所示。
由图7可见, 在输电导线周围磁力线和3000 A时一样, 离导线越近磁力线越密集, 越远直至消失。不论是哪个电流等级下的磁力线都相交于 (0, 0) 坐标点, 它们都是由负值到正值平稳增加而没有产生跃变。
目前没有国家专门制定标准对直流线路磁场予以限制, 但是国际非电离无线电保护委员会建议1 Hz以下磁场的公众暴露限值取40 m T。本文中±800 k V直流线路的最大磁场为导线电流5000 A时产生的磁场, 磁感应强度为55.66μT。此数值只是建议的公众暴露限值的1/720。对这一水平的磁场, 没有制定磁场限值的必要。
4 结语
本文对采用8分裂导线时的电磁环境进行了计算, 为控制电磁环境, 选择了导线半径为0.01 m。在选择导线时, 除满足环境要求外, 还应综合考虑线路建设投资和运行损耗。通过分析可以看到, 导线最低高度取18 m时, 线路结构能全部满足可听噪声、磁场极限值和地面最大合成电场的限值要求。建议±800 k V直流输电线路的输电导线最小对地高度为:一般地区取18 m;居民区取21 m。
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铝电解槽内电磁场分布的计算分析 第5篇
铝电解的磁场构成可以分成三部分: (1) 母线电流产生的磁场; (2) 阴极碳块, 阳极碳块以及熔体中电流产生的磁场; (3) 铁磁材料被磁化后产生的磁场。铝电解槽的磁场由上述三部分磁场迭加而成。在铝电解槽磁场的计算中, 对前两部分的磁场的计算, 人们已经取得共识, 用Biot-Savart定律的线积分和体积分进行计算。主要是第三部分磁场的计算, 不同的计算方法所得到的结果有很大的差异。
1.电流产生磁场的计算
电流在空间任意P点产生的磁感应强度可以根据Boit-Savart定律计算:
式中为电流密度矢量, 为源点到场点的径向矢量, μ0为真空中磁导率, 为电流在P点产生的磁感应强度, r为场点到源点的距离。
2.铁磁体磁化后产生磁场的计算
尽管对物质的磁化本质存在不同的观点, 但磁偶极子作为一种处理问题的手段已广为人们所接受。磁偶极子可看成有很多微小的分子电流环构成, 磁偶极子表现的性质为所有分子电流环所表现性质的总和。等效磁偶极子模型不考虑铁磁元件的磁化过程, 只考虑其磁化后对周围磁场的贡献。这个模型认为, 电解槽铁磁物质磁化后在槽内产生的磁场, 可以等效成为若干磁偶极子在相同点产生的磁场。这里关键问题是如何处理才能等效, 所以必须合理解决三个问题:磁偶极子如何划分;磁偶极子的大小和方向如何确定;磁偶极子计算点的磁场如何确定。在计算过程中作者作如下处理:首先, 划分磁偶极子时限制其长轴在铁壳平面内或与铁磁体长轴一致, 磁偶极子的排列交错进行;其次, 磁偶极子的大小, 同时考虑铁壳品比面积和磁偶极子附近铁壳体积二种因素;然后, 磁化磁偶极子的磁场充分考虑电流产生的磁场, 其他磁偶极子本身的退磁场。
磁偶极子磁化强度的计算方法:
设整个铁磁元件等效成n个磁偶极子
第i个磁偶极子的磁场强度由三部分组成
磁偶极子产生的磁场强度计算公式为
其他磁偶极子在第i个磁偶极子处产生的磁场强度为:
由此可以得到:
式中Ndi满足下列方程组
把式 (1) 用于所有磁偶极子可以得到n个方程, 由此构成n维非线性方程组, 用矩阵形式表示为:
当考虑磁偶极子的三维磁化时, 上式非常复杂, 我们认为磁偶极子划分合理时, 可以只考虑沿磁偶极子长轴方向的磁化, 这样就可以转化成标量形式
式中
方程组得求解可以方便地在计算机上实现。
3.槽内磁感应强度的合成
各磁偶极子的位置和大小以及各磁偶极子磁化强度确定了, 他们在槽内产生的磁感应强度等效于电解槽铁磁体在槽内产生的磁感应强度, 所以铁磁体在槽内点P产生的磁感应强度为:
P点的总磁感应强度B总P为电流在P点产生的磁感应强度与铁磁元件在p点产生的磁感应强度的矢量和
4.计算结果分析
针对某厂80KA电解槽磁场, 得到如下矢量图:
可以看出80KA电解槽磁场特征为:中部磁场比边部好, 中部磁场的绝对值比边部小;Bx的分布较差, 绝对值较大, By分布较均匀, 绝对值小些, Bz分布很不均匀, 尤其在角部。这些都表明, Bz的大小和分布严重影响生产操作和电磁槽的稳定性。
5.结论
(1) 铁磁元件对磁场的影响很大, 这种影响主要体现在改变槽内磁场的分布上。
(2) 等效磁偶极子法用于计算大容量铝电解槽, 其铁磁元件及计算场点的分布都很广的复杂体系有其独特的优点。
(3) 磁偶极子数的划分及极子的几何参数对于计算精度有一定的影响。
参考文献
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电磁场分析 第6篇
激光器发明之后,关于周期介质中非线性脉冲的传输特性研究日益增多,特别是光纤布拉格光栅,由于光纤中折射率周期变化而具有独特性质。1978年Hill等人首次发现了光感光纤布拉格光栅,之后的主要研究进展是关于光纤布拉格反射器的制作技术。20世纪80年代末,Yablonovitch提出的“光子隙带结构”概念[1]。线性周期结构的显著特性是在色散关系曲线中的截止隙带,即光子隙带(Photonic Band Gap,PBG)。在光子隙带频率范围内的光传播的特点为几乎全部光能被反射,因此能量较低的光不能通过此周期结构,随着光强增大周期介质会呈现出多种非线性特性。孤子现象集中表现为两种:离散孤子(或晶格孤子)[2,3]和光栅孤子(隙孤子或布拉格孤子)[4,5]。离散孤子是在二维或三维耦合波导阵列中产生的空间孤子现象,而隙孤子通常是在一维周期介质中的一种时间孤子。
很多试验已经成为FBG中存在光栅孤子的强有力的证据[6,7,8,9]。1996年Eggleton等人使用80 ps的激光入射到布拉格光纤光栅中非常靠近带隙边缘的带隙外部首次观察到了一类新的孤子,称为布拉格孤子[6]。这是最早在实验室条件下观察到达到60%~80%光速脉冲的实验报道。不过还没有观察到静止(或接近静止)的隙孤子。随后,南安普敦大学的Broderick等人首次公布了在通信波长1 550 nm处观察到开关现象,展示了在非线性周期结构中脉冲传播的关键物理性能[7]。他们揭示了布拉格孤子频率不在布拉格谐振频率附近,它的传输效应发生在远离隙带频率。在他们后来的研究试验中出现了的多个布拉格光栅孤子[8]。另一重要的试验是,1998年Taverner等人使用了2 ns的准连续光入射到光纤光栅的带隙,首次实验观察到一系列的带隙孤子[8,9]。
已经存在很多关于光栅孤子的理论研究,大致分为两类:耦合模式理论[10]和矩阵传递函数[11]。通常下,耦合模式理论表示光纤布拉格光栅中的孤子传播,一种方法是通过非线性耦合模式方程(NLCME)[2]对光孤子在光纤中传播进行数学描述;另一方法是基于非线性薛定谔方程(NLSE)运算[10]。前者条件为周期性的微扰作用较弱,入射波的频率比较接近布拉格频率,在布拉格条件频率外,耦合模式理论会失效。后者条件为介质的非线性较弱,并且入射光波频率接近隙带频率上下限。非线性耦合模式方程(NLCME)和非线性薛定谔方程(NLSE)之间关键区别是非线性薛定谔方程是可积分的,非线性耦合模式方程不可积分。在静态极限条件下,非线性耦合模式方程(NLCME)推导出Massive Thirring Model(MTM),可以通过EPP(Effective Particle Picture)分析MTM[10]。在矩阵传递函数理论中布拉格光栅被视为一个折射率交替变化为n和n+∆n的层叠介质,近似认为弱导介质,即可以忽略光纤包层和纤芯之间的折射率差,模式中的光波近似为横波。受到非线性分布的外力作用后的光栅其周期被破坏。在弱波导近似(标量波近似)条件下的电磁场中,电磁波的振幅垂直传播方向,并且满足波动方程。本文分为两部分:第一,利用电磁场理论建立数学模型,得到光纤光栅的矩阵传递公式。第二,进行数值分析后得到光纤光栅和光栅孤子一系列理论性质。
2 理论建模
2.1 建立光纤光栅中电磁场模型
当光的电磁波进入不同折射率的光纤布拉格光栅区域,波数k依据折射率的变化而变化,并且部分光波反射。如图1所示,光波在周期介质中传播方向设为x,电场分量方向设为y,磁场分量方向为z。光纤光栅中的折射率在n与n′之间周期变化,n为光纤原本的折射率,n′为被制作后改变的那部分光纤的调制折射率。在光栅的一个周期长度中,调制折射率n′的长度为p=2a;光纤原本的折射率n的长度为b。光纤光栅周期所指为两个长度之和s,即p+b。利用电磁场方法描述光波[12]:
其中:表示在传播正方向的平面波的复振幅,振幅为Ei+;表示在传播负方向的平面波的复振幅,振幅为Ei-,i=1,2,3。复振幅包含了振幅和位相,直接表示了定态光波在空间某点的振动,或者说复振幅表示了波在空间的分布情况。所以凡是需要用振动描述的地方,都可以用复振幅代表。由于波数k依据折射率的变化而变化,即:
其中k0=ω/c=2π/λ代表自由空间波数,依据平面电磁场的性质的得到磁场与电场的关系:
其中:c是光速,ω代表角频率,µ0代表磁导率。所以磁场具体表达式为
因为电场E和磁场H都是切向分量,在边界a和-a处应该连续,因此从式(5)得到经过一个光栅折射率周期变化后的电场传递矩阵公式
如图1所示,p=2a带入式(7),并进行简化得到:
2.2 m个周期的光栅电磁场
第m个光栅周期的折射率是n的部分电磁场可表示为
第m+1个光栅周期的折射率是n的部分电磁场表示为
因此得到连续周期之间的矩阵传递关系式:
其中:m=1,2,3,...(整数),
根据矩阵传递特性,推导出第m+1个光栅周期的折射率为n的部分电磁场分布Em+1,与起始状态电场E1之间的关系式:
2.3 化简传递矩阵及证明
首先计算得到特征值f1=(U+U*+∆)/2和f2=(U+U*-∆)/2,其中然后利用Cayley-Hamilton定理计算Tm得到:
其中计算得到r0=(f1f2m-f2f1m)/(f1-f2)和r1=(f1m-f2m)/(f1-f2)。可证明0r和1r符合第二类切比雪夫多项式形式Un(x)的特性如下:U0(x)=1;U1(x)=2x;Un(x)=2x Un-1-Un-2。所以我们得到Tm的通式:
其中χ=(f1+f2)/2=tr(T)/2。
3 数值分析
通过矩阵传递矩阵很容易得到此光栅的反射率为
因而在无光纤损耗的情况下,透射率为
其中:透射率T与反射率R都是与U和V有关的函数,而U和V又都与n′/n相关的。因此以n′/n为变量绘制不同光栅折射率周期数m情况下的透射率T的曲线图。参考实际光栅的参数[13]为:m个周期的光栅总长度l为35 mm,一个周期长度是s=l/m,入射光波设为λ=1 550 nm,光纤中折射率为n=1.5,光栅的调制折射率n′=n+∆n。从图中我们可以看到在此电磁场模型中,坐标从1开始,说明n′=n没有调制折射率,所以反射率R=0,合乎物理意义:当没有光纤光栅存在情况下没有反射光,周期数m越大整体反射率会越大。因为是光栅总长度是一个定值,因此周期数m越小,一个周期长度越大,即长周期光栅。因此我们从理论分析得到:短周期光栅为反射式,类似于FBG靠Bragg反射对波长进行选择;而长周期光栅则为透射式光栅,从图2(a)与2(d)之间的反射率曲线对比就能看出来,短周期光栅的反射率大于长周期光栅的反射率。从图2(b)与2(c)还可以看到,反射率是会随n′/n的比值周期变化,但是从现有的光纤光栅的制作技术来看,n′/n比值不会超过的折射率一个变化周期。因而在目前的制作光栅调制折射率范围内,光栅调制折射率n′相对值越大,反射率越大,透射率越小。因此理论n′/n大的可视为深度调制光栅具有大反射率,反之n′/n小的视为浅度调制光栅具有其小反射率。
固定参数∆n=4×10-4[13],改变光栅折射率调制部分长度p与一个光栅周期长度s的比重得到数值分析结果,如图3。可以看出p/s越大反射率越小,当没有折射率变化情况下反射率为0,物理意义是光波可以全部透射过去。而且我们还发现光栅周期数m会产生影响,周期数m越大受到p/s的影响越小。
图4是电磁场理论推导中,最终电场的复振幅表达式的数值仿真,具有实部和虚部两部分,因而使用复平面可以清晰地表现最终电场的复振幅的模和相位情况。从图中我们看出初始状态下的光波向前传播1E+和向后传播1E-之间的幅值差值对电场的复振幅分布产生了影响。结论为光栅初始1E+和1E-之间差值越大,光栅终端的孤子电场的振幅越大,相位也变大。而且当初始1E+和1E-之间差值绝对值相同时,光栅终端的电场的振幅和相位也相同,如图4中菱形与点形分布的重合。
4 结论
电磁场分析 第7篇
关键词：电磁场,油水界面,监测系统,数据优化
石油从开采到分离提炼,再到生产消费有非常复杂的过程,仅开采就是一道纷繁复杂的工序。开采出来的石油是油、气和水的混合物,常伴有少量泥沙,需要采取工艺除去其中的气、水及泥沙等杂质。一般说来,去除泥沙和气体是比较容易的,而去除其中的水却是一件很复杂的工艺,油水分离技术应运而生[1]。当前,国内外油罐液位测量仪表根据测量方式的不同可分为接触式和非接触式两种类型,如:电容式、射频导纳式等。但受外界和自身条件的限制,各有利弊,很难保证油罐油水界面测量的稳定性和准确性,还需用软件优化来弥补硬件测量过程中外界或自身原因产生的不足[2,3,4]。因此,为了满足实际项目开发要求,在油水界面测量系统开发的过程中,既要在硬件上选择性能稳定、可靠性高的测量装置,还要在软件上研究数据优化方法,通过优化方法达到稳定数据、屏蔽坏点的作用。
1 电磁场式油水界面测量方法
1.1 电磁场式油水界面测量仪工作过程
电磁场式油水界面测量仪是一种性能比较稳定、测量相对精确的油水界面测量装置,运用磁控高新传感技术,当仪器供电之后,均匀分布的微电子探极与金属罐壁间产生匀强磁场,在此匀强磁场的整体环境中,通过特殊的射电干扰模式,致使多点磁通量发生变化,产生多个独立的磁感线。而设备中的采集仪根据不同介质的不同特性,对所有磁感线的描述进行集中分析,再依据磁感线的强弱程度,找出不同介质的临界点,转换成标准的线性信号输出给二次仪表,实现液位、液量和温度的检测[5]。
1.2 油水界面计算方法
电磁场式油水界面测量方法目前应用在原油储罐特别是一次沉降罐中基本能满足现场的要求。图1模拟了20个测量点,假设电磁场式油水界面测量装置从油罐顶部直通油罐底部,每个测试点之间相距10cm。要确定油水界面,需要从这些测量点中获得空气典型值、油典型值、水典型值、油阈值和水阈值,具体计算方法如下:
a. 空气典型值。可以取1～4点平均值,也可以从中选一适中值,如,3点=0.071(71)。
b. 油典型值。可以取5～11点平均值,也可以从中选一适中值,如,10点=0.235(235)。
c. 水典型值。可以取12～20点平均值,也可以从中选一适中值,如,16点=1.281(1281)。
d. 油阈值。油阈值=(空气典型值+油典型值)/2=(71+235)/2=153。
e. 水阈值。水阈值=(油典型值+水典型值)/2=(235+1281)/2=758。
大于油阈值而小于水阈值的点为5～11点,共6段10cm长的距离,即为油高,油高=10×6=60cm;大于水阈值的点为12～20点,共8段10cm长的距离,即为水高,水高=10×8=80cm。
根据原油储罐半径,即可计算出原油储罐中
储油的体积和水的体积。
1.3 矩阵点坏点数据分析
电磁场式油水界面测量仪在工作过程中,受外界或自身影响,有时会得到一些不符合理论测量值的数据点,习惯上称之为坏点。坏点的产生一方面受外界环境的影响,比如油罐形状的制约,可能会在原油储罐的某一位置出现障碍物,测量仪各个监测点距离油罐壁的距离偏差太大,这样势必影响测量数据,出现坏点数据。再比如油罐车在注油的时候,原油储罐内部空气部分很可能出现浓度很大的油气,此时在原油储罐空气中的传感器很可能误测为油的数据。另一方面受自身影响,在工作过程中某些传感器可能会失灵,测不出矩阵点数据,这样的坏点必须进行处理,以免影响测量结果。
以90个测量点为例,表1显示出现坏点的矩阵点数据。其中第6～8点的值明显不同于其前后各点的值,数据突然增大又突然减小,很显然为坏点,原因可能是由罐口障碍物引起的;其中第28、69、70点突然为0,和前后各点数据没有保持连续,则为坏点,原因可能由于传感器本身失灵引起的。
按照上述油水界面计算方法,可计算出油高为34×10=340cm,水高为39×10=390cm。但实际观察得知油高为32×10=320cm,水高为41×10=410cm,都与实际相差20cm。坏点带来的问题,有些是客观引起的,有些是主观引起的,必须进行解决。可针对引起坏点的不同原因,研究不同的解决方法。
2 坏点数据优化方法
2.1 最值过滤法
项目进展初期,电磁场式油水界面测量仪主要安装在沉降罐中,除了硬件传感器本身偶尔出现不稳定状态之外,采集的矩阵点数据都相对平稳,但是受到油罐结构的影响,油罐顶部相对狭窄,发现矩阵点数中空气段有坏点,在计算时会默认为油值。例如,坏点只出现在表1中第7、8点,值分别为432、445,其他各点均正常。
最值过滤法是连续确定3个数值a1、a2、a3,求最小值并取最小值赋值给a1,具体步骤为先将一组矩阵点数据存入一维数组中,初始标示指向前三个数,求最小值并将其赋给第一个数;其次再确定连续后三个数,求最小值并将其赋给第二个数;同理,再确定连续后三个数,求最小值并将其赋给第三个数,直至一维数组最后三个数,从而将新得到的一组数据保存在新的一维数组中。
此优化方法程序设计相对简单,只需编写求最值函数,遍历arr[90],便可得到新的newarr[90],也就是优化后的新数组。结果第7、8点优化为22、22。
该方法解决了坏点数据为连续两个的情况,如果坏点数据是3个连续的点,按照每次比较3个相邻点求最小值的方法就行不通了。解决的方法还是最值过滤法,可将新得到的一维数组再遍历一次,即可得到优化。比如第6～10点为444、432、445、22、35,显然第6、7、8点都是坏点,先用最值过滤法遍历一遍得到新的第6、7、8点为432、22、22,显然第6点依然是坏点,再用最值过滤法遍历一遍得到新的第6、7、8点为22、22、22,起到了优化的效果。同理,如果有4个连续坏点,还是调用最值过滤法函数遍历两次,即可解决问题;如果有连续5个或6坏点,则调用最值过滤法函数遍历3次,即可解决问题。
此方法只适合解决空气中出现过大值坏点的情况,不能解决油中或是水中同时出现过小值坏点的情况。
2.2 定点修正法
项目进展中期,在沉降罐中油量和水量变化不大的情况,发现油和水处某一固定的点数据出现小于油或水阈值的值,例如,坏点只出现在表1中第28、69、70点,值分别为0、0、0,其他各点均正常,即出现新的坏点。如果采用最值过滤法,不但不能解决问题,反而还起到相反的作用。分析原因,这些坏点都是由于传感器失灵引起的,由此采用一种新的方法进行数据优化——定点修正法。
定点修正法是针对传感器上某一固定点进行人为绑定的方法,一旦设定,不能频繁更改。设原值为x,通过方程y=kx+b(k为系数,b为偏差)进行定点修正。
对第28点进行定点修正时,多观察几次第28点的值,如果每次观察都是0,方程设为:y=x+400,则修订后的值为400;如果经过多次观察发现第28点的值是个随机变化的值,则方程设为:y=0×x+400,修订后的值为400。对第69点和第70点进行定点修正的方法同上,可设方程为:y=x+4230,修订后的值为4 230。
此方法只适合解决沉降罐中传感器某一固定点出现问题,油量和水量变化不大的情况,不能解决在油量和水量变化稍大的情况下,传感器上某一固定的坏点时而出现在空气中,又时而出现在油中,或者传感器上某一固定的坏点时而出现在油中,时而出现在水中的情况。因为方程y=kx+b中的k、b值在这种情况下要随时变化,显然这与当初的设计相悖逆。
2.3 区域去噪法
项目进展后期,受条件的限制,坏点发生变化,采用硬件优化,代价太高,且有些客观存在的坏点是硬件修正不了的;采用软件优化,前两种方法显然在后期的实践中不能满足要求。例如表1中第6、7、8、28、69、70点都是坏点,且出现介质面下降或上升高于或低于所要修正的坏点。因此必须找到一种更加全面的优化方法,才能满足项目的实际要求,这就是区域去噪法。
区域去噪法是通过分析所采集的几组数据,在确定油阈和水阈的前提下,把所有数据划分为3个区域(空气域、油域和水域),逐一分析每个区域是否存在坏点,如存在则进行优化。优化时,将坏点数据修正到坏点前后数值大小附近。
程序设计流程如图2所示。首先确定油阈和水阈,分别在空气域、油域和水域中找到不正常的点,判断其前后相邻4个点是否正常,如果在相应区域中,则为正常,即坏点找到;如果不正常,则说明该点处于临界状态(空气与油的分界点或油与水的分界点),可视为临界相邻区域的点,修改相邻区域范围,重新判断并进行区域坏点优化。
对第6、7、8、28、69、70点通过区域去噪法,值就相应变为25、25、25、411、4 224、4 224。当然数据如表1这种情况是比较普遍且容易优化的,坏点没有出现在临界状态下,如果坏点出现在临界状态下,就要特殊对待了。如果坏点偶尔出现在临界状态下,误差显得微乎其微,如果坏点长时间处于临界状态下,区域去噪法也不能很好地进行数据优化,这样就只能对硬件进行改进,这说明软件优化的方法也是有限的,不能完全掩盖硬件的问题,只有在一定条件下做到硬件和软件相互搭配,才能起到事半功倍的效果。
3 结束语
电磁场式油水界面测量方法是目前原油储罐油水界面监测中效果较好的一种方法。针对采集的数据受到客观和主观因素的影响,从改变硬件的角度去解决代价较高。因而考虑采用软件优化的方法,分别是最值过滤法、定点修正法和区域去噪法。每种方法的应用范围都有所不同,每种方法都较前一种有很大的进步。笔者在开发新型原油储罐油水界面监测与分析系统的过程中,将上述3种方法应用于实践,在不同情况下都取得相对理想的效果,弥补硬件的不足,降低开发成本。
参考文献
[1]李国珍,肖华,董守平.油水分离技术及其进展[J].油气田地面工程,2001,20(2):7～9.
[2]王毅.新型收油器的油水界面检测及控制系统设计[D].大连:大连海事大学,2007.
[3]王永生.井下油水界面测试系统应用与研究[D].大连:大连理工大学,2008.
[4]任磊,陈祥光,刘春涛.原油储罐油水界面测量方法的研究及应用[J].仪器仪表学报,2008,29(10):2186～2191.
交流电磁系统产生的电磁振动分析 第8篇
1 交流电磁系统的工作特点
交流电磁系统的工作特点是由其励磁线圈的电源电压为正弦交变量因而其磁通亦为正弦交变量所决定的。按麦克斯韦电磁力计算公式, 在某一位置电磁力的瞬时值可以分为两部分:恒定部分和交变部分。前者称为平均吸力, 它等于最大吸力的1/2, 后者称为交变吸力, 它以2倍电源频率随时间作周期性变化, 其幅值与平均吸力相等。
由此可以看出, 由于磁通的正弦交变性, 使得交流电磁系统的吸力具有脉动性, 其值在零与最大吸力之间按2倍电源频率周期性变化, 这就是交流电磁系统的工作特点。
2 实际运用中的交流电磁铁
上面仅考虑交流电磁系统在某一位置的吸力, 由于交流电磁系统工作时还具有反作用力 (反作用力一般为弹簧力, 在某一位置, 反作用力是一定的) , 综合考虑电磁系统的吸力和反作用力, 若电磁铁处于吸持状态, 当其吸力由最大值减小到小于反作用力以后, 衔铁将企图释放。但吸力很快又将回升到大于反作用力, 这样就致使微微离开吸合位置的衔铁又将被重新吸引到吸合位置上来。这种现象被称为交流电磁系统的衔铁振动现象, 它在工频电源条件下每秒要重复100次。这种振动不仅会产生令人难以忍受的噪音, 还会使电磁系统以及与之作刚性连接的零部件加速损坏, 更为严重的是它还有可能导致开关电器的触头发生振动, 加重触头的电气磨损引起触头熔焊, 最终影响开关电器的正常工作。所以这种有害振动必须加以解决。
在实际运用中, 为了防止交流电磁系统这种有害的振动, 通常采用加分磁环使磁极端面处的磁通分成两个彼此间有一定相位差的分量。因为这时尽管每一分量产生的吸力均有减小到零的时候, 但因两个吸力之间有相位差的缘故, 其合成吸力却不可能达到零, 进一步, 只要使合成吸力最小值不低于反作用力, 就能完全消除交流电磁系统的衔铁振动, 此时衔铁就不会离开吸合位置, 当然不会产生振动现象。但目前的实际是, 仅靠加分磁环, 消除衔铁吸力脉动现象即使在理论上也无法实现。
3 消除交流电磁铁电磁系统振动的方法
根据上面分析可知, 电器交流电磁系统合成力的脉动现象无法消除, 但这并不意味着电磁系统的振动不可以消除, 因为只要通过设计使交流电磁系统合成力的最小值大于其反作用力就可以了。但是, 交流电磁系统的工作特点及设计加工现状, 又决定了其有害振动很容易产生。笔者根据研究分析和解决电磁系统振动的实际经历, 总结出如下经验。
3.1 交流电磁铁电磁系统产生振动的主要原因
(1) 衔铁与铁心之间接触面不平, 造成衔铁与铁心之间的气隙过大。
(2) 衔铁与铁心之间尘埃及非磁性的物质聚积, 造成衔铁与铁心之间的气隙过大。
(3) 衔铁与铁心的工作面未对齐, 造成磁路中的磁阻过大。
以上都可能造成电磁系统的合成吸力最小值小于其反作用力, 从而产生电磁系统的振动。
3.2 消除电磁系统振动的方法
先确定是哪一种原因引起的, 再按下述方法来消除。
(1) 针对衔铁与铁心之间的接触面不平, 造成衔铁与铁心之间的气隙过大的现象, 可用细砂布将衔铁与铁心接触面上的毛刺擦除, 使接触面的气隙恢复到0.05 mm左右即可。
(2) 针对衔铁与铁心之间的尘埃及非磁性的物质的聚积, 造成衔铁与铁心之间的气隙过大, 同样也可用细砂布将衔铁与铁心上灰尘及非磁性物质擦除, 使接触面的气隙恢复到0.05 mm左右即可。
关于电磁感应的教学方法分析 第9篇
关键词：电磁感应 教学方法 分析
教学方法关系到教学效果的好坏、关系到学生的兴趣的激发、关系到机电专业的发展。在一般的教学活动中，最常用的教学方法有：情景教学、课堂活动、任务驱动教学、案列教学，笔者根据电磁感应知识的教学特点，对教学方法进行改善和重新设计，在此与各位同仁进行探讨。
1 情景教学
在日常的教学中，笔者发现技工学校的学生大多理论知识薄弱，动手能力较强，甚至具备一些基础性的实践经验。对此，我们应充分结合学生的这种特点，通过搭建教学情景把生活中的常见现象引入电磁感应教学中，充分发挥学生动手能力强的特点，引发学生学习兴趣。电磁感应是基础性科学知识，与学生日常的生活、工作息息相关。老师可实施情景教学，让学生列举生活中、工作中发生与电磁感应相关的现象，比如利用磁铁、导线、电流表等仪器来说明電流是怎样产生的，老师可引导学生对导线和电流表进行连结，让两个磁铁围绕导线进行引动或让一部分导线在两个磁极间移动，在这两种情况下，观察电流表的指针。值得注意的是，老师应尽量确保学生所列举的例子与我们的教学内容具有相关性，让学生通过生活中的实例来认识、分析电磁感应现象[1]。
2 课堂活动
与一般的教学活动不一样，电磁感应教学需要较大的探究空间和较长的探究时间。开展课堂活动正是为学生的探究提供空间和时间，以便学生能对相关的知识进行总结和归纳。在电磁感应教学的理论知识讲解完毕后，可以引导学生进行一些有意义的课堂活动，比如一些头脑风暴、分组讨论等，让学生在这些活动中充分享有一定的自由学习时间和空间。我们还应充分认识到学生的心理需求和独立性，以学生为中心，在实验室中，开展拆卸变压器、电动机等活动，在活动中引导学生对其原理进行探究，引发学生主动思考和分析，老师从旁引导，释放学生的主观能动性，充分调动学生学习的积极性，培养其电磁感应教学的探究习惯。在运用开展课堂活动时，老师应引导学生解决在电磁感应教学中发现的问题，注重提升实验探究的意识和方法，而不仅仅是简单的知识灌输。督促学生对掌握的知识进行总结，并改善自身的学习方法，提升学生学习效率[2]。为了扩大学生的思维空间，老师应鼓励学生进行创造性电磁感应教学。
3 任务驱动教学
对于一些相对简单的电磁感应知识点，老师可以引导学生独立完成学习任务。同时，也应认识到学生在知识和技能上的欠缺，可根据具体的情况向学生介绍自主学习的重点和注意事项。老师给出一个任务，比如找出磁铁和导线相对移动产生电流原因，引导学生对切割运动进行探讨，让学生在规定的时间内完成，确保驱动教学的效率。在实施任务驱动教学中，任务的选择和时间的控制是关键，要难易适中，确保大多数学生能独立完成；时间不宜过长，避免造成教学时间的浪费[3]。不过，为了提高学生的自信心，在初开始的任务驱动教学中，应选择相对简单的任务，注意事项的介绍也应更加的详细，然后根据学生的学习效果逐步增加任务的难度。通过一段时间的训练，相信不仅能提高电磁感应教学的效率，还会使学生养成主动学习的习惯。在电磁感应教学的总结环节，不宜设置明显的对错标准，无论学生给出的答案正确与否，都不应轻易地否定学生，应以鼓励表扬为主，保证学生参与电磁感应教学的积极性。此外，应鼓励学生尽可能用专业的词汇来阐述结果和结论。在总结环节结束后，老师应着重讲解本次实验的重点和难点以及学生容易出现错误的地方，并引导学生再次进行相关知识的学习。
4 案例教学
在电磁感应的教学中，案例教学最为常用。除了教材上的案列，也可以从网上检索到大量适合学生的实验案列，比如关于磁通量以及判断磁通量的变化的教学案列；关于感应电流产生条件的教学案例，其中有一部分案列是以视频的形式存在的。对此，我们可根据教学大纲的要求对这些视频进行剪切，以适应我们当前电磁感应教学的需要。为了更好地开展案例教学，我们甚至可以建立自己的库，除了从网上收集外，还可以录制自己或同事授课过程的经典教学案列，为案列教学的实施储备素材。对这些素材根据涉及的学科进行分类，比如物理类素材、化学类素材、生物类素材，为了方便以后的使用，还可以根据难易程度进一步分类，比如基础巩固型素材、能力提高型素材、综合应用型素材。当进行电磁感应教学时，我们就可以根据教学的目的、教学对象的素质水平选择最合适的素材进行辅助教学。通常情况下，对于低年级的学生或在电磁感应教学的初级阶段，可选用基础巩固型素材，避免难度过高影响实际的教学效果。对于有一定探究能力的高年级学生或在教学的深入阶段，可选用能力提高型素材，以适应电磁感应教学的复杂化，确保所选用的素材能涵盖到尽可能多的知识，注重学生实验探究能力的拔尖和提高。在学生知识储备以及实验技术成熟后，可选用综合应用型素材进行辅助教学，让学生在课堂上学习到的知识和技术与社会实践接轨。
5 结束语
对的教学方法是教学质量提升的关键。作为奋斗在一线的机电教师，应转变教学理念，积极引入新的教学方法和手段，确保学生主动学习意识的觉醒，确保教学活动的有效开展，使我们的机电教学更好地为生产服务。
参考文献：
[1]田卫东.浅谈磁场基本物理量及电磁感应的难点教学[J].课程教育研究，2014（10）：170-171.
[2]方东.中职物理电磁感应教学探究[J].考试周刊，2012（35）：146.
电磁场分析 第10篇
关键词：OpenMP,并行程序,FDTD,影响因素
在科学计算中,并行方式通常由于其较低的开销和较短的运算时间而受到人们的广泛关注。目前,并行计算的实现主要基于2种并行标准:MPI(Message Passing Interface)标准[1],用于消息传递方式的并行编程,允许不共享内存的多处理器合作进行并行计算;OpenMP标准[2],用于共享存储方式的并行编程,可以实现在SMP(Symmetrical Multi-Processor)系统内多处理器的多线程并行计算。
OpenMP是一个应用程序接口,包括一套编译指导语句和一个用来支持它的函数库,通过与标准的Fortran,C和C++结合工作。使用OpenMP开发共享存储的多线程程序非常简单和容易,但却很难保证所开发的程序具有很高的性能。同时,若使用不当,也会使程序发生混乱,产生诸如数据竞争,死锁等现象[3],从而导致最终的运算结果有误。OpenMP程序的一些因素对其执行效率也有很大影响[4]。因此,在使用OpenMP语句编写并行代码时,需要对其进行详实而细致的分析,从而保证程序的正确性和高效性。
时域有限差分法(FDTD)是模拟计算电磁场的一种基本算法,其串行方式通常由于问题的复杂程度而花费大量的计算时间。如果使用并行方式进行计算,则能够在很大程度上减少运算所用时间,提高运算效率。本文以一个二维平面波导为例,讨论如何使用OpenMP语句设计电磁场的FDTD并行程序,同时分析各种不同的并行方法对程序性能的影响,从而找到最为高效的并行方式,使之能够在最短的时间内得到正确的结果。
1 电磁场的计算过程
电磁场FDTD算法的基本思想是[5]:使用差分网格,将连续的电磁场问题变为离散系统问题,用各离散点上的数值解来逼近连续场域内的真实解。使用YEE网格得到一系列离散的电磁场计算公式,采用蛙跳格式,利用前一时刻已知的电场和磁场求出当前时刻的电磁场。随着时间的推移,计算过程不断进行下去。
本文所讨论的二维波导结构如图1所示。其中波导的长为3 m,宽为0.18 m,波导左端施加1 GHz的高斯脉冲激励源。设波的传播方向为z方向,垂直方向为x方向。当用FDTD处理该问题时,为将边界点落在网格点上,选取网格步长ΔL为0.015 m将整个场域离散成一个个正方形网格,如图2所示。
电场存在于网格的边线上,磁场位于网格的中心
点。由此得到TM模式上的3个电磁场的计算公式:
为保证计算数值的稳定性,选取时间步长Δt=Δl/2c,其中c为光速。对左端口,当时间步数小于160步时,使用高斯脉冲激励,其他时刻使用Mur的一阶吸收边界条件。对右端口,为减小反射造成的影响,使用吸收效果更好的三阶廖氏吸收边界条件。激励源及吸收边界条件公式如式(4)～(6):
这样,当一次时刻所有场域的电磁场计算完成后,使用迭代过程就可以计算出随时间变化的波导内电磁场的分布情况。在Fortran中,使用Do循环语句可以方便的模拟上述过程。
2 OpenMP并行设计
OpenMP采用的是标准的并行模式——fork/join式并行,使用编译器指导指令实现并行化。当程序开始执行时,只有1个主线程的线程存在。当遇到OpenMP的指导指令要求程序并行化时,主线程派生出很多子线程。在并行区域,主线程和这些派生的子线程协同工作。在并行区结束之后,派生的线程退出或挂起,由主线程继续执行后续部分。因而,OpenMP的并行程序线程数是动态变化的。
采用OpenMP对本文的电磁场问题进行并行设计时,可以有多种实现方法,如使用数据并行或功能并行,改变数据调度类型或改变设置的线程数目等。不同的实现方法在运行的效率上是不同的。下面根据实现方式的不同,分析不同的并行程序在性能上的差异,以此找到最为优化的设计方法。
以下测试均在基于双CPU四线程的多处理器系统上使用Intel Fortran Compiler 9.1编译实现。
2.1 并行结构的不同
OpenMP可以实现两种并行方式:数据并行和功能并行[6]。数据并行是一种普遍意义上的并行方式,在程序中,常有一些循环操作,如果在循环的内部各个计算过程之间不存在相关性,则可以转换成并行循环,即数据并行。在OpenMP中,只需要告诉编译器该循环过程可以被并行执行,则编译器会负责生成派生和会合线程以及调度并行循环的代码,并将循环的任务分配给线程。如果一个程序的某些部分之间互不影响,没有相关性,同时执行这些部分运算的结果是正确的,则可以使用功能并行的方式将这些部分同时分配到不同的线程上并行执行。在OpenMP中,可以为不同的线程分配不同部分的代码,使用parallel sections语句即可帮助编译器实现功能并行。
在电磁场的计算过程中,时间步长上的迭代过程是相互关联,相互影响的。一次迭代需要使用上一次迭代的运算结果,故迭代之间不宜实现并行化。而在一次迭代内部,电场和磁场的计算仅需要前一次时刻的计算结果,各个计算过程之间没有影响,可以使用这两种方式实现并行计算。
在原串行程序上的迭代循环内部,添加“!MYMOMP PARALLEL DO”语句实现1次循环的数据并行,添加 “!MYMOMP PARALLEL SECTIONS”语句将电场和磁场的计算过程分到各个线程上实现功能并行。将2个实现的方式与原串行方式的运行效率做比较,其结果如图3所示。从图3可以看出,并行方式明显要比串行方式效率高,花费的时间少。而数据并行与功能并行两者之间也有很大的差异,数据并行方式性能最佳。当时间迭代次数从1 000次～5 000次变化时,相比数据并行方式,功能并行所花费的时间大约是其两倍左右,而串行方式则逐渐从2倍增加到3倍。由此可见,数据并行是实现并行运算最好的方式。
2.2 调度策略的不同
在对嵌套的循环进行并行操作的过程中,执行不同的调度策略所需的时间差别是相当大的。如果要计算n次的循环过程,每次循环的计算任务需要分配到t个线程中,如果每个线程被分到(n/t)次循环,可能得到较低的并行效率。这是因为各个线程所需完成任务的时间可能是不同的,先完成的线程需要等待所有线程都完成任务后才能继续下一次循环的并行计算。如果将新任务立即交给先完成任务的线程执行,则并行计算的总效率可能是最好的。调度策略的选择,是依照任务的负载不平衡性所决定的。在OpenMP中,使用schedual子句可以指定执行循环调度的策略,即如何将循环过程在线程间分配。OpenMP的调度策略有多种,包括动态调度、静态调度、指导性自调度、运行时调度等。本文只讨论前3种调度形式,并且使用默认的数据分块大小完成调度操作。
在静态调度中,任务在执行之前就已经被分配到各个线程中了,每个线程被分配到(n/t)次连续的循环。
如果使用动态调度,则任务开始时只分配1次循环,当线程执行完这次循环操作后,再将下一次循环任务交给线程执行。
指导性自调度方式是一种启发式自调度方法,开始时每个任务会分配到较大的数据任务块,之后任务每次请求新的任务时会被分配到大小递减的数据任务块,直到所有任务均完成为止。静态调度的开销小,但有明显的负载不平衡现象,动态调度的开销相对大,但可减少负载的不平衡现象。
在效率最高的数据并行方式上,对不同的调度方式做测试,包括静态调度STATIC,动态调度DYNAMIC,指导性自调度GUIDED和不定义调度方式。测试结果如图4所示。
不同的调度策略对程序的整体性能是有影响的。从图4中可以看出,相比其他2种情况,静态的调度方式与未指定调度策略的方式效率最好,运行时间大致相等。这说明在使用FDTD进行电磁场计算的过程中,各个场量的计算所用时间大体上一致,负载的不平衡性较小,可以忽略这种现象而在执行并行计算开始前直接把任务全部分配到线程中去。而倘若使用动态调度或指导性自调度方式,增加负载的不平衡现象,消耗时间,影响效率。可见,在本例中,静态调度方式是最为合适的调度策略。
2.3 设置线程数的不同
在使用OpenMP实现共享存储并行计算的过程中,线程数目的大小并不一定和系统实际的线程数一致,可以事先指定并行区域的线程总数来完成并行操作。线程数的不同会影响到并行程序效率,OpenMP中使用OMP_SET_NUM_THREADS()函数对并行部分的线程数进行定义,线程总数的定义需要在并行操作前的串行部分,若未指定线程数,则默认使用系统最大的线程数完成并行操作。前面关于并行实现方式和调度策略2个测试就是在未指定线程数的大小下完成的。当线程数发生变化时,程序运行时间的变化情况如表1所示。
可以看到,当设置的线程数与实际系统的线程数一致时(表1中线程数为4的列),运行的时间是最短的;当线程数超过系统的最大线程时,为实现并行化,线程之间增加了同步和竞争系统资源系统所需要的时间,这种差距越大,耗时越多;当线程数小于系统的最大线程时,并行计算的过程中总会有一些CPU空闲,计算机并未工作在最佳的状态,因而用时也较多;当线程数设置为1时,此时的并行程序实际上只有一个线程执行,成为串行方式。因此,使用系统默认的最大线程数是实现电磁场并行计算的最有效途径。
3 结 语
目前,个人计算机的CPU逐渐走向多核化,单机多线程的SMP系统也逐渐普及起来,在此类系统上设计并使用并行化程序有着重要的实用价值。本文以二维波导的电磁场FDTD算法为例,研究如何使用OpenMP设计其并行程序,以及分析影响并行效率的几个因素。测试分析的结果表明,采用不同的并行方式,设定不同的调度策略以及修改并行线程数的大小均会对并行程序本身的优化效率性能产生影响。综合考虑各个因素才能设计出最为优化的并行程序。本文所使用的例子虽然简单,但代表了设计此类问题的一般方法,对在使用FDTD算法的电磁场复杂问题有着一定的指导意义。
使用OpenMP设计的基于共享存储标准的电磁场并行程序虽然在效率方面有一些提高,但只能运行在多线程的SMP系统上。如果结合消息传递机制的MPI标准对这一类问题混合编写并行代码,则能够适用于由多处理器计算机组成的多机机群,用途更广、效率也更高。这一问题,将在今后的研究中进行下去。
参考文献
[1]莫则尧,袁国兴.消息传递并行编程环境MPI[M].北京:科学出版社,2001.
[2]OpenMP Architecture Review.OpenMP Application Pro-gramInterface[EB/OL].Version 2.5.http://www.openmp.org,2005.
[3]Paul Petersen,Sanjiv Shah.OpenMP Support inthe Intel ThreadChecker[J].International Workshop on OpenMP Applicationsand Tools,WOMPAT 2003.Toronto,2003:1 12.
[4]Li Jianjiang,Shu Ji wu,Chen Yongjian,et al.Analysis of Fac-tors Affecting Execution Performance of OpenMP Programs[J].Tsinghua Science and Technology,2005,10(3):304308.
[5]王秉中.计算电磁学[M].北京:科学出版社,2002.
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