COMSOL Multiphysics在脉冲强磁场中的应用

基于COMSOL Multiphysics矩形波导磁场分布研究
COMSOL Multiphysics是一款非常强大的多物理场仿真软件，可以对不同领域的物理现象进行多物理场耦合的仿真分析，包括电磁场、热传导、结构力学等。

在电磁场仿真方面，COMSOL Multiphysics可以用来对波导的电磁场进行研究和分析。

本文将利用COMSOL Multiphysics对矩形波导的磁场分布进行研究，探讨不同参数对磁场分布的影响。

矩形波导是一种常见的微波传输线结构，广泛应用于微波通信、雷达系统、微波加热等领域。

矩形波导内部的电磁场分布对波导的传输特性和性能有着重要的影响，因此对其进行研究和分析具有重要的意义。

我们需要建立矩形波导的几何模型。

在COMSOL Multiphysics中，可以通过几何建模模块来快速建立波导的几何模型。

对于矩形波导来说，我们可以简单地通过定义矩形的宽度和高度来建立波导的几何模型。

在建立几何模型的还需要定义波导的边界条件和材料属性。

在建立了波导的几何模型之后，接下来就是进行电磁场的仿真分析。

在COMSOL Multiphysics中，可以通过电磁场模块来对波导的电磁场进行分析。

利用COMSOL Multiphysics的网格生成算法，可以对波导的几何模型进行网格划分，然后利用有限元方法对波导的电磁场进行求解。

针对矩形波导的磁场分布研究，我们主要关注波导内部的磁场分布特性。

矩形波导的磁场分布受到波导的几何尺寸、工作频率、输入功率等因素的影响。

通过在COMSOL Multiphysics中设定不同的参数值，可以对这些因素对磁场分布的影响进行研究。

基于COMSOL Multiphysics矩形波导磁场分布研究1. 引言1.1 研究背景目前对于矩形波导内部磁场分布的研究还比较有限，特别是磁场耦合效应对波导传输性能的影响尚未深入探讨。

本文将通过COMSOL Multiphysics对矩形波导的磁场分布进行模拟研究，探索磁场耦合效应在波导传输中的作用机制，并寻求波导性能的优化途径。

通过本研究，有望为矩形波导在微波通信系统等领域的应用提供重要的理论指导，促进波导技术的进一步发展。

1.2 研究目的研究目的主要是通过利用COMSOL Multiphysics软件模拟矩形波导的磁场分布，探究波导内磁场的分布规律，了解磁场的耦合效应以及波导的性能优化方法。

通过研究磁场分布，可以为设计和优化矩形波导的结构提供理论指导和技术支持。

通过对磁场的分析和探究，可以更好地理解磁场在波导中的传输规律，进而提高波导的传输效率和性能稳定性。

最终的目的是为了深入探究矩形波导的磁场特性，为相关领域的研究和应用提供参考和支持。

2. 正文2.1 矩形波导的结构特点矩形波导是一种常用的电磁波传输结构，其结构特点主要包括以下几点：1. 矩形波导的截面呈矩形形状，通常由金属壁组成，可以有效地限制电磁波在波导内传播。

2. 矩形波导具有一定的波导模式，可以支持多种模式的电磁波传输，包括TE模式和TM模式等。

3. 矩形波导的传输带宽较宽，适用于高频、宽带的信号传输。

4. 矩形波导的结构相对简单，易于制作和安装，具有较好的可靠性和稳定性。

矩形波导具有结构简单、传输带宽广、可靠性高等特点，适用于多种应用场景。

在研究矩形波导的磁场分布时，需要充分考虑其结构特点，以便更准确地模拟和分析电磁波在波导中的传输行为。

通过基于COMSOL Multiphysics的模拟，可以更深入地了解矩形波导的磁场分布特性，为进一步优化波导性能提供有效的参考。

2.2 基于COMSOL Multiphysics的磁场分布模拟在基于COMSOL Multiphysics进行矩形波导磁场分布模拟时，首先需要建立波导的几何模型和材料特性。

基于COMSOL Multiphysics矩形波导磁场分布研究1. 引言1.1 研究背景波导是一种用于传输电磁波的结构，广泛应用于通信、雷达和微波器件等领域。

对波导内部磁场分布的研究可以帮助我们更好地理解波导的工作原理，优化其性能，并且为新型波导器件的设计提供参考。

磁场是波导中一个重要的物理量，对传输的电磁波起着重要的影响。

通过对波导磁场分布进行研究，可以探究磁场在波导中的传播规律，了解电磁波的传输特性，例如磁场的分布情况、磁场的大小和方向等。

对基于COMSOL Multiphysics的矩形波导磁场分布进行研究具有重要的意义。

通过建立合适的模型和进行数值模拟，可以全面地分析波导内部磁场的特性，为波导器件的设计和优化提供有力支持。

进一步深入研究磁场在波导中的传播规律，可以拓展我们对电磁波传输的认识，为相关领域的进一步发展提供有益启示。

1.2 研究目的研究目的是通过使用COMSOL Multiphysics软件，对矩形波导中磁场的分布进行深入研究和模拟。

通过这一研究，我们旨在深入了解矩形波导结构中磁场的特性和分布规律，为波导的设计和优化提供理论依据和实验指导。

具体来说，我们的研究目的包括：分析矩形波导中磁场的分布特点，探究磁场与波导结构参数之间的关系，研究不同频率下磁场的变化规律，以及分析磁场对波导性能的影响。

通过这些研究，我们希望能够更全面、深入地了解矩形波导结构中磁场的行为特性，为相关领域的研究和应用提供参考和指导。

通过对磁场分布的模拟和分析，我们可以为优化波导设计提出建议，并为相关工程应用提供理论依据和技术支持。

1.3 研究意义磁场在波导中的分布对于波导结构的性能具有重要影响。

通过对矩形波导磁场分布的研究，可以深入了解波导结构中磁场的分布规律，有助于优化波导设计，提高波导的传输性能和效率。

研究矩形波导磁场分布还可以为相关领域的磁场应用提供重要参考。

比如在微波通信、雷达技术、医学影像等领域，磁场分布对于设备性能和信号传输十分关键。

核电磁脉冲中非电离辐射作用于人体的电磁场和温度场仿真王世鑫;逯迈【期刊名称】《辐射研究与辐射工艺学报》【年(卷),期】2024(42)3【摘要】采用国际电工委员会制定的双指数脉冲波形模拟核电磁脉冲,分析脉冲波形主要谐波分量的幅值、频谱及相位。

在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立偶极子天线模型及人体三维模型,通过电磁场与热场耦合模块,求解人体组织中感应电场强度、磁场强度、比吸收率(Specificabsorptionratio,SAR)和温度场分布。

将结果与国际非电离辐射防护委员会(International commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定的《限制电磁场暴露导则》进行比较。

结果表明:人体距离暴露源1 km时,感应电场强度、磁场强度、局部最大SAR值和平均SAR值分别为88.8 V/m、0.58 A/m、0.66 W/kg、0.011W/kg。

感应电场强度和磁场强度超过了ICNIRP规定限制59.8V/m和0.22A/m。

但在10km处,电场、磁场、局部最大SAR值和平均SAR值都满足安全限制。

人体组织中温度升高主要集中在大脑处,暴露时间为6min时,温升为0.2171℃,符合ICNIRP规定的局部温升2℃和核心温升1℃限值的要求。

本研究结果为核电磁脉冲环境中人体遭受电磁暴露的健康风险安全评估提供了一定的科学依据。

【总页数】12页(P106-117)【作者】王世鑫;逯迈【作者单位】兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TL72【相关文献】1.脉冲磁场作用于钢液熔体的电磁场数值模拟2.人体电磁兼容系统与电磁场处理水--Ⅲ.电磁水对人体电磁场的作用3.分析脉冲电磁场对人体作用的一种人体简易色散模型4.低强度瞬态电磁场脉冲作用于不同动物细胞形成电穿孔的实验比较5.加热治癌时人体二维电磁场和温度场的数值计算因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

9新实践新应用融合应用仿真软件探究磁场分布成因—兼谈学生疑难问题解决的新途径文I詹善生汤金波教师要适应时代新要求，改变教学思维和手段。

“真正有效的物理认知结构一定是学生自主构建起来的，真正的物理学科能力一定是学生通过自身的努力建立起来的。

”111教学中对学生提出的问题进行讨论、挖掘，是助力学生自主成长的重要举措。

笔者以U形磁铁磁场反转现象为例，融合应用COMSOL M u lt i p h y s i c s软件探究U形磁铁周围“诡异”磁场分布成因。

COMSOL M u ltip h y sic s起源于MATLAB的T o o lb o x。

该软件以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，是一款可进行任意多物理场直接耦合分析的软件。

该软件用数学方法求解真实世界的物理问题，借助高效的计算性能和强大的多场双向直接耦合分析功能，实现高度精确的数值仿真。

图2人教版教材配图一、“诡异”的U形磁铁磁场反转现象u形磁铁周围存在磁场反转区域，这一点早有介绍|21,但少有人深入挖掘。

如图1所示，笔者用小磁针粗略探测u形磁铁周围磁场分布情况，发现在其内部中轴线上存在磁场反转现象，这与中学物理教材中有关图文内容的介绍并不一致（图2为2013年人教版初中物理九年级全一册课本第121页配图，图3为2013年沪粤版初中物理九年级下册课本第6页配图），令人迷惑。

考虑磁针尺寸相对U形磁铁未达到足够小且其自身具有铁磁性，在靠近磁铁指示磁场方向时不能当作理想的探针。

笔者改用传感器测得电压图3沪粵版教材配图来表征磁感应强度。

如果U形磁铁内部中轴线上存在磁场反转的现象，在反转区域附近会检测到电压极小值。

实验证实了这种预测，实验结果与小磁针粗测效果是吻合的（见东北师大附中窦国2021年第5期中小学数字化教学I89新实践新应用9慧提供的实验视频）。

二、利用仿真软件呈现实验现象利用 COMSOL M u ltip h y sic s “磁场无电 流”接口可以很方便地对U 形磁铁中切面上磁场 分布进行仿真模拟（操作见视频2)。

基于COMSOL Multiphysics的通电螺线管磁场分析王慧娟;李慧奇【摘要】文中通过载流螺线管模型,分析了有限长螺线管磁感应强度的理论算法,并用仿真软件COMSOL Multiphysics建模并仿真,得到了螺线管模型磁感应强度的三维立体解,形象直观地表现了螺线管空间磁场的分布情况.同时,验证了与理论计算结果的一致性,并为电磁场其他问题的仿真建模提供参考.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2014(012)006【总页数】3页(P31-32,35)【关键词】螺线管;磁感应强度;COMSOL Multiphysics软件;仿真【作者】王慧娟;李慧奇【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TM12通电有限长密绕螺线管磁场测量实验是电磁场的经典实验之一，由于该实验只能测量、计算螺线管轴线上的磁场，不能反映整个螺线管内部的磁场分布情况，对此，已有一些文献从理论上做过研究[1-5]，有些文献给出了形式解[1-2]，有些从数值上近似计算出定积分[3-4]，只是结果不够形象直观。

COMSOL Multiphysics 是一款基于有限元法的多物理场的大型数值仿真软件，其中的AC/DC模块是电磁场模块，可以模拟准静态电磁场的相关物理问题，由于其强大的多物理场耦合功能，应用越来越广泛。

1.1 螺线管轴线磁场推导一个轴向长度为2L,半径为a，单位长度匝数为n的螺线管界面图如图1所示，z 轴为对称轴，由于匝数比较多，所以通过每匝的电流i基本是沿φ方向的，可等效为面电流。

我们只求z轴上的B,电流密度如式(1)所示：根据毕奥-萨伐尔定律[7]，有其中，因此，代入式(2)得到利用替代关系z″=z′-z得到对于有限长螺线管，沿轴的内部场用B∞表示，在z轴上z≪L处(代表螺线管中部区域)，式(4)可化简为:在螺线管长度远远大于它的半径的极限下，即：L≫a，这个表达式成为:在螺线管的口上，即：z=±L处，式(4)可以简化为：1.2 螺线管空间任意一点磁场根据文献[4],对单匝圆环电流在空间任意一点的磁感应强度进行积分，可得到多匝圆环电流即螺线管空间任意点的磁感应强度，其表达式为：dφdφ其中，R2=a2+ρ2-2aρcosφ当位于螺线管轴线上时，ρ=0，R2=a2，此时与前文所述一致。

第52卷第4期2021年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.4Apr.2021基于COMSOL Mutiphysics 的履带式磁选机平面磁系磁场仿真与参数优化程志勇1，卢东方1，薛子兴1，李旭东1，褚浩然1，刘剑军1，刘振强1，陈福林2(1.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙，410083；2.攀钢集团研究院有限公司，四川攀枝花，617000)摘要：为了优化履带式磁选机磁场特性，确定最佳磁系类型和结构参数。

采用长×宽×高为100mm×20mm×10mm 的铷铁硼磁体，设计N-S 极交替磁系、无堵漏挤压磁系和堵漏挤压磁系共3种平面磁系结构，采用COMSOL Multiphysics 中的AC/DC 接口，对这3种平面磁系进行模型构建、网格划分和仿真计算，在此基础上，通过改变磁体和导磁介质的几何尺寸，对堵漏挤压磁系的结构参数进行优化。

研究结果表明：与N-S 极交替磁系和无堵漏挤压磁系相比，堵漏挤压磁系能产生更强的表面磁感应强度和更大的磁场梯度，仿真结果与实测结果一致；采用长×宽×高为100mm×30mm×40mm 的铷铁硼磁体，长×宽×高为100mm×5mm×40mm 的导磁介质与长×宽×高为100mm×10mm×20mm 的堵漏磁极进行组合匹配时，可获得更高磁感应强度和磁场梯度的堵漏挤压磁系，研究结果可为履带式磁选机的优化设计提供理论依据。

关键词：COMSOL Mutiphysics ；永磁；挤压磁系；仿真；堵漏磁极中图分类号：TD924文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）04-1049-09COMSOL Mutiphysics-based magnetic field simulation and parameter optimization of planar magnetic system of crawler magnetic separatorCHENG Zhiyong 1,LU Dongfang 1,XUE Zixing 1,LI Xudong 1,CHU Haoran 1,LIU Jianjun 1,LIU Zhenqiang 1,CHEN Fulin 2(1.School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China;DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.04.001收稿日期：2020−06−22；修回日期：2020−09−12基金项目(Foundation item)：钒钛资源综合利用国家重点实验室基金资助项目(2020P4FZG03A)；国家自然科学基金资助项目(51974366，51804341，51674290)；湖南省清洁和有效利用战略性含钙矿产资源重点实验室基金资助项目(2018TP1002)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2019zzts703，2019zzts701，2020zzts740)；中南大学创新驱动计划项目(2015CX005)(Project(2020P4FZG03A)supported by State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization Program;Projects(51974366,51804341,51674290)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2018TP1002)supported by the Key Laboratory of Clean and Efficient Use of Strategic Calcium-Containing Mineral Resources of Hunan Province;Projects(2019zzts703,2019zzts701,2020zzts740)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University;Project(2015CX005)supported by Innovation Driven Program of Central South University)通信作者：卢东方，博士，副教授，从事物理分选研究；E-mail ：***************引用格式：程志勇,卢东方,薛子兴,等.基于COMSOL Mutiphysics 的履带式磁选机平面磁系磁场仿真与参数优化[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(4):1049−1057.Citation:CHENG Zhiyong,LU Dongfang,XUE Zixing,et SOL Mutiphysics-based magnetic field simulation and parameter optimization of planar magnetic system of crawler magnetic separator[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(4):1049−1057.第52卷中南大学学报(自然科学版)2.Pangang Group Research Institute Co.Ltd.,Panzhihua617000,China)Abstract:In order to optimize the magnetic field characteristics of the crawler magnetic separator,determine the best magnetic system type and geometric parameters,using100mm×20mm×10mm rubidium-iron-boron magnets,three planar magnetic system structures of N-S pole,i.e.,alternating magnetic system,non-plugging extrusion magnetic system and plugging extrusion magnetic system,were ing the AC/DC interface in COMSOL Multiphysics for modeling construction,meshing and simulation calculations of three planar magnetic systems,by changing the geometric parameters of the magnet and the magnetically permeable medium,the structural parameters of the plugging extrusion magnetic system were optimized.The results show that compared with the N-S pole alternating magnetic system and the non-plugging extrusion magnetic system,the plugging extrusion magnetic system can produce a stronger surface magnetic induction intensity and a larger magnetic field gradient.The simulation results are consistent with the measured results.When a100mm×30mm×40mm rubidium-iron-boron magnet and a100mm×5mm×40mm magnetically permeable medium are matched with100 mm×10mm×20mm plugging magnetic poles,the plugging extrusion magnetic system with higher magnetic induction intensity and magnetic field gradient can be obtained.The results can provide theoretical basis for the optimal design of the tracked magnetic separator.Key words:COMSOL Mutiphysics;permanent magnet;extrusion magnetic system;simulation;plugging magnetic pole磁选是在不均匀磁场中利用矿物之间的磁性差异，使不同矿物实现分离的一种矿物加工方法，在当今矿业领域和其他领域占有重要地位[1−2]。