207 / 2019-08-28 20:52:33

基于新型数值算法的人体暴露电磁仿真研究

数值算法,极低频电磁场,基于边的光滑有限元法

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 生物力学

工业用电的巨大增长使人们暴露在电磁场的机会较之以往大大增加，电磁场对人体是否产生影响及产生何种影响已引起公众越来越多的关注。高压极低频电磁场（ELF）广泛存在于电力设施（输电、配电和分配）和通信设备中，因此，本文拟采用新型数值算法对人体暴露于此类电磁场进行数值模拟分析。已有的该类问题的数值模拟一般采用有限元与边界元法，但是它们都存在一定的缺陷：基于线性四面体单元的有限元法在求解场变量导数（电流密度）时存在求解精度不高的问题，而边界元法则难以处理该类问题中的非均匀复杂模型（人体模型）。因此，本文提出了基于边的光滑有限元法（ES-FEM）用于分析此类问题，分析域首先被离散化为一组可自动生成的线性四面体单元。然后，引入梯度光滑技术（GST），在每个基于边缘的光滑域上进行电势梯度光滑操作。随后，使用经光滑处理的Galerkin弱形式以获得离散化的系统方程，并在基于边缘的光滑域上应用数值积分，从而实现ES-FEM对人体暴露问题的分析。数值例子，包括人体的简单旋转体模型和现实人体模型，证明了ES-FEM具有以下重要性质：（1）超精度和超收敛; （2）计算效率更高; （3）对网格畸变不敏感