谐波时间依赖性

对于具有谐波时间依赖性的场,可以方便地使用其复数相量表示计算势。

具有谐波时间依赖性的标量场通常以幅值和相位形式写入。例如,标量势 ϕ 可以写为:

1. EQUATION_DISPLAY
ϕ=ϕ˜cos(ωt+θϕ)
(4244 4251)

其中 ϕ 遵循幅值 ϕ˜、角频率 ω 和相位 θϕ 的余弦定律。

角频率 ω 通过以下方程与频率 f 相关:

2. EQUATION_DISPLAY
ω=2πf
(4245)
同样,具有谐波时间依赖性的矢量场具有时间谐波标量分量。例如,可通过矩阵矢量表示法使用局部坐标分量写入磁场 H
3. EQUATION_DISPLAY
H=Hii+Hjj+Hkk[HiiHjjHkk]
(4246)
其中 ijk 为局部坐标单位矢量,为方便起见,可以忽略:
4. EQUATION_DISPLAY
H[HiHjHk]
(4247)

每个矢量分量都有自己的幅值和相位:

5. EQUATION_DISPLAY
Hi=H~icos(ωt+θHi)Hj=H~jcos(ωt+θHj)Hk=H~kcos(ωt+θHk)
(4248)

使用矩阵矢量表示法,H 可以用其幅值和相位矢量来表示:

6. EQUATION_DISPLAY
H=[H~iH~jH~k]cos(ωt+[θHiθHjθHk])=H~cos(ωt+θH)
(4249)

其中 表示哈达玛积,幅值 H˜ 和相位 θH 如下:

7. EQUATION_DISPLAY
H˜=[H˜iH˜jH˜k],θH=[θHiθHjθHk]
(4250)

对于具有谐波时间依赖性的场,可以方便地使用其复相量表示来计算电势。考虑具有单一谐波时间依赖性的电势:

8. EQUATION_DISPLAY
A=A˜cos(ω0t+θA)ϕ=ϕ˜cos(ω0t+θϕ)
(4244 4251)

电势 Aϕ 可以用其复相量表示 A^ϕ^ 写为:

9. EQUATION_DISPLAY
A=[A^]=[A˜eiω0teiθA]=[A^0eiω0t]ϕ=[ϕ^]=[ϕ˜eiω0teiθϕ]=[ϕ^0eiω0t]
(4252)

其中,i 是虚数单位,由 i2=1 定义,A^0=A˜eiθAϕ^0=ϕ˜eiθϕ 是复幅值。

A 的时间导数则为:

10. EQUATION_DISPLAY
At=[iωoA^]
(4253)

通过将电势和时间导数替换为其复数表示,Eqn. (4241)Eqn. (4242) 变为:

11. EQUATION_DISPLAY
[∇×(μ^)1∇×A^+iω0σ^A^]=[σ^ϕ^+J^ex]
(4254)
12. EQUATION_DISPLAY
[(σ^ϕ^)]=[(iω0σ^A^)+S^ϕ]
(4255)

其中,J^ex 是用户自定义源,S^ϕ=∇⋅J^ex 是用于考虑未求解物理量的用户自定义源(通常为零)。

复幅值 A^0ϕ^0 可以按其实部和虚部表示如下:

13. EQUATION_DISPLAY
A^0=A0+iA0ϕ^0=ϕ0+iϕ0
(4256)

或以极坐标形式表示如下:

14. EQUATION_DISPLAY
A^0=A˜eiθA=A˜(cosθA+isinθA)ϕ^0=ϕ˜eiθϕ=ϕ˜(cosθϕ+isinθϕ)
(4257)

其中,A0=[A^0]A0=[A^0]ϕ0=[ϕ^0]ϕ0=[ϕ^0]

同样,复电势本身也可以按实部和虚部表示如下:

15. EQUATION_DISPLAY
A^=A+iA=A+iAϕ^=ϕ+iϕ=ϕ+iϕ
(4258)

其极坐标形式如下:

16. EQUATION_DISPLAY
A^=A^0eiω0t=(A0+iA0)(cosω0t+isinω0t)=(A0cosω0tA0sinω0t)+i(A0cosω0t+A0sinω0t)ϕ^=ϕ^0eiω0t=(ϕ0+iϕ0)(cosω0t+isinω0t)=(ϕ0cosω0tϕ0sinω0t)+i(ϕ0cosω0t+ϕ0sinω0t)
(4259)

电流密度源是时间谐波矢量,可以表示为复量的实部

17. EQUATION_DISPLAY
Jex=J˜excos(ω0t+θJex)=[J^ex]
(4260)

其中

18. EQUATION_DISPLAY
J^ex=J˜exeiθJexeiω0t=J^ex0eiω0t=(Jex0+iJex0)eiω0t
(4261)

可以进一步扩展如下

19. EQUATION_DISPLAY
J^ex=(Jex0cosω0tJex0sinω0t)+i(Jex0cosω0t+Jex0sinω0t)
(4262)

导电率被视为与时间和频率无关的(对称张量)物理量,用于考虑位移电流,可表示如下:

20. EQUATION_DISPLAY
σ^=σ'+iσ"=[σii'σji'σik'σij'σjj'σjk'σik'σjk'σkk']+i[σii''σij''σik''σij''σjj''σjk''σik''σjk''σkk'']=[σ~iieiθσiiσ~ijeiθσijσ~ikeiθσikσ~ijeiθσijσ~jjeiθσjjσ~jkeiθσjkσ~ikeiθσikσ~jkeiθσjkσ~kkeiθσkk]
(4263)

在低频,可以将磁导率假设为实量。Eqn. (4254) 然后采用一般式:

21. EQUATION_DISPLAY
[∇×μ1×(A+iA)+iω0(σ+σ)(A+iA)]=[(σ+iσ)ϕ^+(Jex+iJex)]
(4264)
查看时间谐波复数表示的扩展表达式的实部,可以看出,为了满足微分方程,必须满足这些具有复幅值的方程的实部和虚部。
22. EQUATION_DISPLAY
∇×μ1×(A0'+iA0'')+iω0(σ'+σ'')(A0'+iA0'')=(σ'+iσ'')ϕ^0+(Jex0'+iJex0'')
(4265)

通过使用矢量标识并施加库仑规范 ∇⋅A=0Eqn. (4264) 的实部和虚部采用简单一般式:

23. EQUATION_DISPLAY
∇⋅(μ1A0)ω0σ"A0ω0σA0+σϕ0σ"ϕ0Jex=0∇⋅(μ1A0)+ω0σA0ω0σ"A0+σϕ0+σ"ϕ0Jex"=0
(4266)

同样,Eqn. (4255) 的实部和虚部采用一般式:

24. EQUATION_DISPLAY
∇⋅(σϕ0)+∇⋅(σ"ϕ0)+ω0∇⋅(σA0)+ω0∇⋅(σ"A0)Sϕ=0∇⋅(σϕ0)∇⋅(σ"ϕ0)ω0∇⋅(σA0)+ω0∇⋅(σ"A0)Sϕ"=0
(4267)

复磁通量密度 B^ 和磁场 H^ 的计算方法为:

25. EQUATION_DISPLAY
B^=∇×A0+i∇×A0H^=μ1(∇×A0+i∇×A0)
(4268)

复电场 E^ 和总电流密度 J^ 为:

26. EQUATION_DISPLAY
E^=ϕ0+ω0A0i(ϕ0+ω0A0)J^=J+iJ"=(σ+iσ")E^
(4269)

电流密度的幅值 |J^| 也称为峰值。均方根电流密度 JRMS 表示正弦系统的时间平均电流密度,通过 |J^|=2JRMS|J^| 相关。

谐波横向磁势

同样,对于位于由 2D 域定义的平面上的磁场,Eqn. (4243) 可以写为:

27. EQUATION_DISPLAY
∇⋅(μ1An)ω0σ"Anω0σAn"Jn,ex=0∇⋅(μ1An")+ω0σAnω0σ"AnJn,ex"=0
(4270)

其中,总电流密度垂直于 2D 域:

28. EQUATION_DISPLAY
J^n=Jn+iJn"
(4271)

求解

Simcenter STAR-CCM+ 提供多个谐波平衡模型,这些模型使用有限体积法或有限元法计算复电势。有关为每个模型求解的积分方程的信息,请参见:
这些模型使用有限体积法求解此复电势的耦合方程组 Eqn. (4266)-Eqn. (4267)
此模型使用有限元法求解复磁矢势的 Eqn. (4254)。在 Eqn. (4254)中,将忽略包含电势的项。
此模型使用有限体积法求解复磁势的 Eqn. (4270)