基于ANSYS的地表半空間瞬變電磁二維平面煙圈模擬

歐陽晶　王曉麗

【摘 要】由于瞬變電磁法對未知地層中的水尤其敏感，隧道超前地質(zhì)預報已引入瞬變電磁技術，論文著眼于ANSYS軟件模擬瞬變電磁應用超前地質(zhì)預報的可行性，建立地表半空間瞬變電磁數(shù)值計算模型模擬二維平面煙圈的擴散效應，并將數(shù)值模擬結果與理論計算結果進行分析，結論表明利用ANSYS軟件來模擬瞬變電磁是可行的。

【Abstract】Because of the transient electromagnetic method is especially sensitive to water in unknown layer， geological predication of tunnel has introduced transient electromagnetic method. This paper focuses on the feasibility of using ANSYS software to simulate the geological predication of transient electromagnetic applications， establishes a numerical model of transient electromagnetic field in surface half space to simulate the diffusion effect of two-dimensional plane smoke ring， and the results of numerical simulation and theoretical calculation are analyzed. The conclusion shows that it is feasible to simulate transient electromagnetic field by using ANSYS software.

【關鍵詞】超前地質(zhì)預報；半空間；瞬變電磁；煙圈

【Keywords】 geological predication； half-space； transient electromagnetic； smoke ring

【中圖分類號】U452.11 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0191-02

1 引言

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，根據(jù)楞次定律的“來拒去留”原則，地下地質(zhì)體中將激勵起感應渦流，在一次脈沖磁場斷開之后，此感應渦流可作為二次激勵場源將激勵起二次感應磁場。由于二次感應場可以反饋地下地質(zhì)中的地電信息，在一次脈沖磁場間歇期間，使用接收線圈觀測二次場，通過提取和研究這些響應信息，從而實現(xiàn)對地下地質(zhì)體的探測[1]。

2 二維煙圈理論擴散規(guī)律

將發(fā)送線圈平放在均勻大地地表，并把階躍電流輸送至發(fā)送線圈之中，待階躍電流穩(wěn)定之后，在零時刻停止輸送階躍電流。根據(jù)楞次定律，磁導率為和電導率為的地層下半空間將激勵起感應電流用來維系階躍電流斷開前的磁場，階躍電流斷開之前，大部分的感應電流集中分布在發(fā)送線圈附近地層，并以的規(guī)律向遠處衰減。階躍電流斷開之后，面電流往地表下擴散，并且產(chǎn)生多個球面狀的沖擊波渦流，該渦流會隨時間逐漸擴散、變大。通過理論和實踐的驗證，感應電流的極大值沿著發(fā)射線圈的中心點與地面成三十度的方向向下、向外擴散。將該傳播路徑投影到地面，得到的半徑如下

通常，在均勻大地的條件下，各渦流層的總和即感應渦流引起的磁場，而各渦流層的總和可用一個簡單的電流環(huán)進行等效處理。當發(fā)送線圈的電流斷開以后，等效的電流環(huán)就會向下向外擴散，一系列相同形狀的擴散電流環(huán)即常說的“煙圈”就會顯現(xiàn)。

3 基于ANSYS的二維平面煙圈的數(shù)值模擬

下面介紹基于ANSYS對地表半空間的瞬變電磁場產(chǎn)生的二維平面煙圈效應進行數(shù)值模擬。采用位于地表中心的圓形激勵線圈，將三維的空間模型根據(jù)對稱性轉(zhuǎn)化為二維的平面模型[2]。創(chuàng)建模型的參數(shù)如下：空氣向上部分延伸為250m，地表縱向向下延伸為500m，圍巖的電阻率為2000Ω·m，橫向延伸為500m；設置激勵線圈的圓心為坐標原點，并通過加載電流密度來產(chǎn)生階躍電流。

激勵線圈產(chǎn)生電流之后，在零時刻斷開階躍電流，并分別零時刻之后的0.5，1，5，10，20和40時的計算結果，顯示如圖1。

4 實驗結果分析

通過分析實驗結果得知：感應渦流隨著時間推移往外擴散，形狀似煙圈；煙圈的磁場等值線在煙圈中心分布最密集，隨著煙圈的擴散磁場等值線越來越稀疏；煙圈中心沿與地表呈夾角向下的方向傳播；各擴散圖右側的數(shù)據(jù)顯示感應渦流的大小隨時間逐漸減小。該基于ANSYS的數(shù)值模擬結果表明感應渦流的擴散與理論分析相符。

均勻地層半空間生成的感應渦流隨時間推移逐漸向外擴散，發(fā)射線圈中心點到渦流密度極大值點的距離即渦流環(huán)半徑是時間的函數(shù)，為得到渦流密度極大值隨時間的變化，從數(shù)值模擬計算結果中選取不同時刻通過發(fā)射線圈中心的路徑上最大渦流密度。

選取0.5μs，1μs，5μs，10μs，20μs和40μs時的渦流密度數(shù)據(jù)值，分別找出最大渦流值所在的單元編號，再由單元編號定位單元四個角點坐標值，將每個角點向水平地表進行投影，則可得到每個角點x坐標，最大渦流密度中心點在水平地表投影的位置就是對角角點的x坐標值的平均值，此平均值也就是二維平面煙圈擴散的渦流環(huán)半徑。

將數(shù)值模擬計算得到的渦流環(huán)半徑與煙圈理論擴散規(guī)律計算的渦流環(huán)半徑比較，對比結果見表1。由表可知數(shù)值模擬和理論計算得到的渦流環(huán)半徑基本吻合。

5 結語

利用有限元軟件ANSYS來模擬計算瞬變電磁的二維平面煙圈擴散，其計算結果與理論的擴散規(guī)律基本相符，由此驗證了有限元軟件ANSYS模擬瞬變電磁的可行性。

【參考文獻】

【1】牛之鏈.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社，2007.

【2】樸化榮.電磁測深法原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.endprint