[发明专利]一种用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法及系统

说明书

本发明公开了一种用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法及系统，利用有限边界传导介质和电阻网络构成混合场域，模拟无穷远边界传导介质场域，在所述混合场域条件下测量待测目标按比例缩放的带电模型的电场分布，得到无穷远边界下的待测目标的电场分布。本设计方法包括电极系最少节点数设计原则、电阻网络参数设计原则和基于标准电极的有效性评价方法。按照本设计方法搭建的实验系统，可以有效测量大尺寸装置在相对较大边界下的电场分布，适用于多种传导介质。相比于解析推导，利用待测目标按比例缩放的模型进行试验，测量的电场数据更接近实际工况，误差更小。

技术领域

本发明属于电场测量技术领域，更具体地，涉及一种用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法及系统。

背景技术

随着对电场研究的深入，其理论日趋成熟，对于大尺寸物体在无穷半空间中的电场特性也展开了一系列的研究，例如舰船在海水中的电场。

舰船浸泡在海水中的部分由不同的金属材料制成，不同金属在海水电解质中化学性质不同，产生了不同的稳定电极电位，导致船体表面电位分布不同。不同电位的金属之间发生电连接，腐蚀就随着发生。若能模拟腐蚀引起的船体表面电场变化，从而可研究舰船电场防护问题。目前对舰船电场的研究，大都是基于有限元、边界元、电偶极子等数学模型仿真手段，在一定程度上能模拟海水环境，但由于船体内部桨-轴等复杂结构难以通过软件或理论公式模拟，且船体材料极化曲线试验数据不易获取，因而具有一定的局限性。此外也有物理缩比模型试验方法，将舰船的大尺寸缩比模型直接放在装有海水电解液的水槽中进行实验测量电场数据，该方法中水槽的边界会对舰船电场产生影响，无法完全模拟实际的无穷半空间海水环境，具有一定的局限性。

由此可见，在舰船电场等测量无穷半空间中的电场特性领域研究用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法及系统，其目的在于解决了要得到大尺寸物体在无穷半空间的电场分布，解析法推算过程复杂且误差较大的问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用混合场域等效无穷远边界传导介质的方法，包括：利用有限边界传导介质和电阻网络构成混合场域，模拟无穷远边界传导介质场域，在所述混合场域条件下测量待测目标按比例缩放的带电模型的电场分布，得到无穷远边界下的待测目标的电场分布。其目的是用小尺寸的混合边界等效于数倍甚至数十倍的实际边界。

进一步地，电阻网络包括连接在电极片上的n个节点，节点数满足最少节点数设计原则，采用电磁场数值计算软件，如ANSYS Maxwell、Comsol Multiphysics等，分析并绘制大尺寸装置的实验模型在实际无穷远边界传导介质中的电场分布，具体包括：

(2.1)在无穷远边界传导介质中，给定待测目标单位电压，得到无穷远边界传导介质中的实际电场分布；

(2.2)在无穷远边界传导介质中放置电极片，重复(2.1)，得到无穷远边界传导介质中的电场分布；

(2.3)比较放置电极片前后待测目标的电场分布，若误差小于等于最大容许误差，则说明电极片不会对电场的测量造成影响，此时电极片上的节点数为最小值n；若误差大于最大容许误差，则需要增加电极片的节点个数，并返回(2.2)步。

进一步地，电阻网络包括电阻网络各节点与无穷远边界之间的自电阻和相邻节点之间的互电阻。阻值满足电阻参数设计原则，无穷半空间中放置由n块电极片组成的电极系，仅在电极系外侧均匀分布着传导介质，电极系内侧无传导介质。具体包括：

(3.1)给定所有节点相同的电位U₁，分别测量每个节点流出的电流I_i，则自电阻的阻值R_ii＝U₁/I_i；