基于ANSYS的地表半空间瞬变电磁二维平面烟圈模拟

欧阳晶　王晓丽

【摘 要】由于瞬变电磁法对未知地层中的水尤其敏感，隧道超前地质预报已引入瞬变电磁技术，论文着眼于ANSYS软件模拟瞬变电磁应用超前地质预报的可行性，建立地表半空间瞬变电磁数值计算模型模拟二维平面烟圈的扩散效应，并将数值模拟结果与理论计算结果进行分析，结论表明利用ANSYS软件来模拟瞬变电磁是可行的。

【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.

【關键词】超前地质预报；半空间；瞬变电磁；烟圈

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

【中图分类号】U452.11 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0191-02

1 引言

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，根据楞次定律的“来拒去留”原则，地下地质体中将激励起感应涡流，在一次脉冲磁场断开之后，此感应涡流可作为二次激励场源将激励起二次感应磁场。由于二次感应场可以反馈地下地质中的地电信息，在一次脉冲磁场间歇期间，使用接收线圈观测二次场，通过提取和研究这些响应信息，从而实现对地下地质体的探测[1]。

2 二维烟圈理论扩散规律

将发送线圈平放在均匀大地地表，并把阶跃电流输送至发送线圈之中，待阶跃电流稳定之后，在零时刻停止输送阶跃电流。根据楞次定律，磁导率为和电导率为的地层下半空间将激励起感应电流用来维系阶跃电流断开前的磁场，阶跃电流断开之前，大部分的感应电流集中分布在发送线圈附近地层，并以的规律向远处衰减。阶跃电流断开之后，面电流往地表下扩散，并且产生多个球面状的冲击波涡流，该涡流会随时间逐渐扩散、变大。通过理论和实践的验证，感应电流的极大值沿着发射线圈的中心点与地面成三十度的方向向下、向外扩散。将该传播路径投影到地面，得到的半径如下

通常，在均匀大地的条件下，各涡流层的总和即感应涡流引起的磁场，而各涡流层的总和可用一个简单的电流环进行等效处理。当发送线圈的电流断开以后，等效的电流环就会向下向外扩散，一系列相同形状的扩散电流环即常说的“烟圈”就会显现。

3 基于ANSYS的二维平面烟圈的数值模拟

下面介绍基于ANSYS对地表半空间的瞬变电磁场产生的二维平面烟圈效应进行数值模拟。采用位于地表中心的圆形激励线圈，将三维的空间模型根据对称性转化为二维的平面模型[2]。创建模型的参数如下：空气向上部分延伸为250m，地表纵向向下延伸为500m，围岩的电阻率为2000Ω·m，横向延伸为500m；设置激励线圈的圆心为坐标原点，并通过加载电流密度来产生阶跃电流。

激励线圈产生电流之后，在零时刻断开阶跃电流，并分别零时刻之后的0.5，1，5，10，20和40时的计算结果，显示如图1。

4 实验结果分析

通过分析实验结果得知：感应涡流随着时间推移往外扩散，形状似烟圈；烟圈的磁场等值线在烟圈中心分布最密集，随着烟圈的扩散磁场等值线越来越稀疏；烟圈中心沿与地表呈夹角向下的方向传播；各扩散图右侧的数据显示感应涡流的大小随时间逐渐减小。该基于ANSYS的数值模拟结果表明感应涡流的扩散与理论分析相符。

均匀地层半空间生成的感应涡流随时间推移逐渐向外扩散，发射线圈中心点到涡流密度极大值点的距离即涡流环半径是时间的函数，为得到涡流密度极大值随时间的变化，从数值模拟计算结果中选取不同时刻通过发射线圈中心的路径上最大涡流密度。

选取0.5μs，1μs，5μs，10μs，20μs和40μs时的涡流密度数据值，分别找出最大涡流值所在的单元编号，再由单元编号定位单元四个角点坐标值，将每个角点向水平地表进行投影，则可得到每个角点x坐标，最大涡流密度中心点在水平地表投影的位置就是对角角点的x坐标值的平均值，此平均值也就是二维平面烟圈扩散的涡流环半径。

将数值模拟计算得到的涡流环半径与烟圈理论扩散规律计算的涡流环半径比较，对比结果见表1。由表可知数值模拟和理论计算得到的涡流环半径基本吻合。

5 结语

利用有限元软件ANSYS来模拟计算瞬变电磁的二维平面烟圈扩散，其计算结果与理论的扩散规律基本相符，由此验证了有限元软件ANSYS模拟瞬变电磁的可行性。

【参考文献】

【1】牛之链.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社，2007.

【2】朴化荣.电磁测深法原理[M].北京：地质出版社，1990.endprint