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          試管注水后的電容電感變化

          隨著計算機性能的大幅提高,仿真技術的應用逐漸飛入平常百姓家,不論你是科研單位工作人員,高校教師,或是一名技術愛好者,你都有機會通過COMSOL來重現生活中一些有趣的現象,通過現象探索主導現象的物理定律,可以使你對枯燥的物理定律有更加深刻的理解。

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          圖1:試管注水過程示意圖

          ? ? ? ? 本文介紹的模型的物理背景來源于一次物理實驗課,實驗中試管下端纏繞銅質螺線管并通電,逐漸向試管中注水,隨著水柱高度的上升(h0-h1-h2),電路的諧振頻率(f0f1f2)發生了變化,實驗者通過COMSOL軟件對該過程進行了建模仿真。

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          圖2:二維和三維試圖下的網格示意圖

          ? ? ? ? 在三維條件進行計算時,在保證計算精度的基礎上縮短計算時間,網格尺寸不宜設置過于精細。但由于實際螺線管繞試管間隙很小,在螺線管和試管之間的狹長區域中(即圖2中網格細密處)采用粗糙網格極易導致反轉單元,即使對模型網格進行優化,模型計算量也相當大,考慮到模型的結構特點,最終選擇的計算方案為二維軸對稱模型計算電感,三維下計算電容;通過導出兩個模型下的計算結果,最終得到諧振頻率的變化規律。

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          圖3:水柱高度升高過程磁通密度變化

          ? ? ? ? 圖3中顯示了當試管中水柱高度從h0(試管中無水)上升到h2時,空間磁通密度的變化情況,由于水的抗磁性,注水之后,穿過試管中的磁通大大降低,當水柱高度h2時,可以形象的認為試管中的磁通被水完全擠出,集中在螺線管外側。

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          圖4:水柱高度變化時的電容電感變化

          ? ? ? ? 圖4給出水柱高度變化時電容電感變化,需要注意的是,在電容模型中,由于螺線管層與層之間存在電勢差,計算時需考慮匝間電容,這也是無法采用二維軸對稱計算電容模型的原因,由于諧振頻率知:在計算得到不同水柱高度的電容和電感數據后,導出計算結果做后處理即可得到諧振頻率的變化規律。

           

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