煤矿井下人员位置确定的耦合效应分析

题目煤矿井下人员位置确定的耦合效应分析学生姓名房春学号1213014108所在学院物理与电信工程学院专业班级电子信息工程专业12级4班指导教师帅春江完成地点陕西理工学院2016年5月23日陕西理工学院毕业设计煤矿井下人员位置确定的耦合效应分析作者:房春(陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业12级4班，陕西汉中723000)指导老师：帅春江[摘要]：煤作为我国重要能源之一，如何安全有效开采成为我们重视的一个内容，而确定煤矿中各个人员的位置对于加强安全防范，保障矿工生命和国家财产的安全具有更加深刻的意义。文中通过对边界元法基本原理的回顾，详细给出了边界元法计算电磁问题的处理过程和相关计算公式。边界元法是以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程解，与有限元相比，具有单元个数少，数据准备简单等优点，并在矿井隧道波导问题进行物理建模的基础上，分析随着人员位置的变化拱形隧道中的电场分布及耦合电容变化等问题。[关键字]：边界元法;拱形隧道;耦合电容陕西理工学院毕业设计AnalysisoncouplingeffectofcoalminepersonnelpositiondeterminationAuthor：FangChun(Grade12,Class4,Majorelectronicsandinformationengineering,SchoolofPhysicsandElectronicInformationEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi)Tutor:ShuaiChunjiangAbstract:Asoneoftheimportantenergyinourcountry,howtominecoalsafelyandeffectivelybecomesacontentoftheourattention,anddeterminethelocationofallstaffinthecoalmine,tostrengthenthesafetyprecautionstoprotectthesafetyoftheminers'livesandthepropertyofthestatehasmoreprofoundsignificance.Inthispaper,thebasicprincipleoftheboundaryelementmethodisreviewed,andtheprocessingprocedureandtherelatedcalculatingformulaoftheelectromagneticproblemaregivenindetail.Theboundaryelementmethodisdefinedontheboundaryoftheboundaryintegralequationasthegoverningequationbytheboundaryelementdiscretization,ofsolutionstoalgebraicequations,comparedwithfiniteelement,theunitisafewanddatapreparationissimple.Then,basedonthephysicalmodelingofthetunnelwaveguideproblem,theboundaryelementmethodisusedtostudythedistributionoffieldintensityandthechangeofthecouplingcapacitanceinthearchtunnelwiththechangeofthepositionofthestaff.Keywords:Boundaryelementmethod;archtunnel;couplingcapacitance陕西理工学院毕业设计I目录1引言................................................................................................11.1课题的背景及意义...................................11.2电磁场和电磁波.....................................11.3电磁场的边界问题计算方法...........................11.3.1解析法.......................................21.3.2数值法.......................................22常数边界元法................................................................................32.1常数边界元法（CBEM）基本概念.......................32.2边界元的基本关系式.................................32.2.1加权余量法....................................32.2.2格林公式......................................42.3边界积分方程.......................................62.4边界元方程及方法实施...............................62.5常数边界元法.......................................72.5.1系数ijH和ijG的计算.............................82.6计算程序的编制....................................103实例分析计算..............................................................................123.1耦合电容计算......................................123.2空隧道模型分析....................................133.2.1空隧道模型...................................133.2.2空隧道中电磁波的电场与电位分布...............133.3有人隧道模型分析..................................143.3.1有人隧道模型.................................143.3.2有人隧道中电磁波的电场与电位分布.............143.3.3耦合电容的计算..............................155结论...............................................................................................18致谢..................................................................................................19参考文献..........................................................................................20附录A外文文献............................................................................21附录B外文翻译............................................................................26附录C部分程序.............................................................................30(1)fortran计算程序.....................................................................30(2)耦合电容计算程序....................................................................33陕西理工学院毕业设计第1页共33页1引言1.1课题的背景及意义安全是我们人类生存的一种保证，是与生俱来的一个追求。我们要生存，就要去克服、避免威胁生命的种种不利因素和危险，竭尽全力的获取平安生存的基本条件。人类社会发展史向我们证明，凡是有人类进行活动的地方，都无比迫切地渴望有一个安全的条件和环境，来保证我们的社会生活的正常进行。对于以“安全第一”为主的煤炭企业来说，更是需要具有良好的安全形势。可以说，安全一词把人类对在与自然的斗争中创造财富、保存自己、延续生命所采取的手段，以及所要达到的目的，作了形象的概括。煤作为我国重要能源之一，如何安全有效开采成为我们重视的一个内容，而在煤矿中工作的煤矿工人的生命安全更应是首要考虑的事情。确定煤矿中各个人员的位置，不仅能有效的提高矿井的现代化管理，提高劳动生产率，对于加强安全防范，保障矿工生命和国家财产的安全具有更加深刻的意义。然而，矿井下环境恶劣，自然条件差，地形复杂，空间受限。因此，本文通过边界元法计算出在矿井隧道中人体的自电容和耦合电容随位置变化的关系，为矿井隧道中人体电容分布提供更实际的理论依据。由于电磁波在隧道中的传播方式和地面上有很大的区别，隧道可看作是波导，其截面通常是半圆或拱形，梯形等形状。众所周知，各类波导结构不仅是能量和信息的载体和传递工具，而且是构成所有微波系统及元器件的基础。在形形色色的现代通信和雷达电子系统中，各种各样的波导或波导元件都是必不可少的组成部分。1864年，麦克斯韦发表了著名的论文《电磁场的动力理论》1。在这篇论文中，麦克斯韦舍弃了他之前提出来的力学模型而完全转向场论的观点，明确阐述了光现象和电磁现象的统一性，从此奠定了光的电磁理论的基础。1868年，麦克斯韦又发表了一篇论文《关于光的电磁理论》，创立了光的电磁学说。他说：“光也是电磁波的一种，光是一种能看得见的电磁波。”这样，麦克斯韦就把之前相互独立的电磁和光统一起来了，并且成为十九世纪物理学上实现的一次重大论综合。1873年麦克斯韦出版电磁理论的经典著作《论电和磁》，在部著作中，麦克斯韦对电磁理论作了全面系统和严密的论述，并从数值上证明了方程组解的唯一性，从而表明这个方程组是能够精确地反映电磁场的客观运动规律的完整理论。1.2电磁场和电磁波电磁场是一种由带电物体产生的一种物理场；电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁波在波导2传播的相速大于它在自由空间传播的相速，而群速则小于它在自由空间传播的相速，波导是一种色散的导波装置。导波系统中传输的电磁波分为TEM波和非TEM波3。非TEM波有TE波，TM波和混合波，可采用纵向场4方法求解。导波系统中的TEM波传输常数是和无界空间的TEM波传输常数相同。导波系统中的TEM波横向场分布满足的方程和静态场方程相同的，说明TEM波横向场分布具有静态场的一些性质。在自由空间的均匀平面波5（空间中没有自由电荷，没有传导电流），他们的电场和磁场方向都没有和波传播方向相互平行的分量，他们都和传播方向垂直。此时，电矢量E