Sample Scripts from GB Books
GB003:  2次元における電導

4. 円形フォイル中の電導

今度は銅製の薄いフォイル中での電導の問題について考えることにします。フォイルの外周は半径 1 のチューブに、内周は同軸上にある半径 0.2 の金属棒に垂直に溶接されているものとします(共に銅製)。GB002ではz軸方向に十分な長さのある金属棒/箱の切断面において電場を考えましたが、電導性のフォイルや板の場合にはそのような前提は必要ありません。絶縁境界によって電流は x-y 平面に平行に流れることになるからです。
フォイルの内周は電位 1 に、外周は電位 0 に保たれているケースをここでは想定し、FlexPDEによる計算を実行します。

4.1 Problem descriptor [ econduction01d.pde ]

台形プレートのときの econduction01b.pde をベースにスクリプトを用意します。
  TITLE
    'Radial Conduction in a Foil'    { econduction01d.pde }


  SELECT
    Errlim = 3e-5


  VARIABLES
    U                     { Electric potential }


  DEFINITIONS
    r1 = 0.2  r2 = 1
    cond = 5.99e7         { Conductivity of Cu }
    U1 = 1.0              { Voltage }
    Ex = -dx(U)  Ey = -dy(U)  E = -grad(U)  Em = magnitude(E)
    Jx = cond*Ex  Jy = cond*Ey  J = cond*E  Jm = magnitude(J) 
                          { Electrical current density }


  EQUATIONS
    div(J)=0              { 2nd order PDE in U }


  BOUNDARIES
    Region 1
      Start(r2, 0)        { Outer }
        Value(U) = 0  Arc(Center = 0,0) Angle = 360
      Start(r1, 0)        { Exclude }
        Value(U) = U1  Arc(Center = 0,0) Angle = 360


  PLOTS
   
Grid(x, y)
    Contour(U)    Surface(U)
    Vector(E) norm
    Contour(Jx)    Contour(Jy)    Contour(Jm)

  END

4.2 実行結果

(1) Grid(x, y)
FlexPDEによって自動生成されたメッシュは内周部で密度の高いものとなっています。

(2) Contour(U)
解析対象領域(ドメイン)上での関数 U(x, y) の等高線図、すなわち等電位線は次のようになります。内周部で U = 1、外周部で U = 0 という境界条件は満たされています。電流はこれらの同心円状の等電位線に直交する形で流れて行きます。

(3) Surface(U)
関数 U(x, y) の曲面の形状をプロットしたものです。

(4) Vector(E) norm
電場ベクトル E のベクトルプロットを示したものです。 予想された通り、中心から放射状に広がるベクトル場となっています。

(5) Contour(Jx)
電流密度ベクトル J のx成分の値に関する等高線図です。

(6) Contour(Jy)
電流密度ベクトル J のy成分の値に関する等高線図です。

(7) Contour(Jm)
電流密度ベクトル J の絶対値に関する等高線図です。内周部分で最も大きく、外周に近づくにつれて小さな値になっています。

本ケースの場合、解析対象の領域が対称形であるため、ドメインを例えば四分円の部分に限るといったアプローチを取ることもできます。それによってメッシュ密度は4倍になるので計算精度の向上が期待できます。なお、対称境界上ではNatural(U) = 0という指定を行うことになります。

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