大型高温超导线圈交流损耗计算中的多尺度模型方法

论文摘要

近年来,高温超导导体的电磁数值模型已发展得相当成熟,但此类模型多集中于小尺寸超导体的仿真。对于带材数量庞大的大型线圈,传统方法建模会产生大量的网格和待求解自由度,导致计算无法进行。均一化模型虽然通过构建超导块极大地简化了模型,但其仅适用于二代高温超导扁带材,不适用于一代圆线材。为解决大型高温超导线圈交流损耗的计算难题,论文发展了适用性更广的多尺度模型仿真方法。与传统模型采用超导线圈直接加载电流的仿真思路不同,多尺度模型首先利用传统磁场模块快速得到线圈的磁场,再利用磁场计算超导带材的交流损耗。线圈的交流损耗计算将被分解成单匝带材的计算,并通过少数带材的结果插值得到整个线圈的损耗。为获取较准确的电流密度计算线圈磁场,论文提出了无限多匝线圈近似。通过在简化模型上添加适当的周期性边界条件来表征整个磁体,计算该极简模型可得到近似的超导线圈的电流密度分布。首先论文从实验测量和数值计算两方面验证了多尺度模型计算交流损耗的高准确性和高效率。以双饼和四饼线圈为模型,多组通电测量和计算的结果表明,基于无限多匝线圈近似的多尺度模型在电流密度、磁场及交流损耗计算方面均具有较高的准确性;线圈匝数越多,上述计算越准确;并且由于并行计算的应用,多尺度模型的计算效率相比于传统标准模型可提高2个量级。多尺度模型需要构建全尺寸线圈模型计算磁场。尽管该计算在传统磁场模块中进行,无需求解方E-J非线性高指数方程,但完整构建带材数成千上万的大型磁体是不现实的。为此,论文提出了利用均一化模型简化线圈以优化多尺度模型计算过程的方案。由于仍计算单匝带材的交流损耗,本文中均一化模型的应用可用于一代圆线材超导线圈的仿真。论文使用优化的多尺度模型仿真文献中的样品线圈,将原模型中的1464个通电域减少至270个,所得交流损耗和文献中的计算误差约10%。此外,本文研究表明,多尺度模型同样适用于内、外双线圈模型的仿真;且外侧线圈的场强越高,采用均匀电流密度计算内插式高温超导线圈的交流损耗的偏差越小。综合上述方法的研究和优化,论文计算了托卡马克高温超导中心螺线管磁体的交流损耗。所设计的高温超导磁体包含1120股导线,每股导线包含525根Bi-2212线材。论文应用均匀电流密度,分别估算了单股导线和整个磁体的交流损耗。通过对结果的分析,验证了计算模型的自洽和可靠性;并依据结果,对磁体设计提出了一些建议。结果表明,本文发展的多尺度模型是一种准确度可靠且计算高效的大型高温超导磁体交流损耗计算的方法,可成为托卡马克高温超导中心螺线管磁体交流损耗评估的有力工具,指导磁体的设计和优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 高温超导体
•     1.1.1 高温超导体简介
•     1.1.2 高温超导体的发展
•     1.1.3 高温超导磁体
•   1.2 交流损耗
•     1.2.1 交流损耗的概念
•     1.2.2 交流损耗的影响
•     1.2.3 磁滞损耗的计算原理
•   1.3 超导数值模型
•     1.3.1 临界态模型
•     1.3.2 E-J指数模型
•     1.3.3 临界电流密度
•     1.3.4 自变量与数值方法
•   1.4 大型超导线圈的计算难点
•     1.4.1 计算难点
•     1.4.2 均一化模型的优势与不足
•   1.5 研究目的和意义
•   1.6 主要工作介绍
• 第2章 多尺度模型方法
•   2.1 电-磁等效输入
•     2.1.1 无限长直导线模型
•     2.1.2 线圈模型
•   2.2 线圈的多尺度模型方法
•     2.2.1 无限多匝线圈近似
•     2.2.2 周期性边界条件
•     2.2.3 子模型
•     2.2.4 模型耦合
•     2.2.5 MATLAB程序控制
•     2.2.6 计算流程
•   2.3 本章小结
• 第3章 多尺度模型方法的验证
•   3.1 超导线圈的交流损耗测量
•     3.1.1 测量原理
•     3.1.2 补偿电容与分压电阻
•     3.1.3 测量步骤
•     3.1.4 高温超导样品线圈
•   3.2 交流损耗测量结果
•     3.2.1 双饼线圈
•     3.2.2 四饼线圈
•   3.3 多尺度模型的实验验证
•     3.3.1 模型构建
•     3.3.2 仿真与实验结果的对比
•     3.3.3 仿真-实验误差分析
•   3.4 多尺度模型的数值验证
•     3.4.1 线圈交流损耗对比
•     3.4.2 单匝带材损耗对比
•     3.4.3 电流密度与磁场分布对比
•     3.4.4 更多匝带材的线圈研究
•   3.5 高场应用与效率对比
•     3.5.1 对比结果
•     3.5.2 计算效率对比
•   3.6 多尺度模型方法的分析总结
•   3.7 本章小结
• 第4章 多尺度模型方法的优化
•   4.1 多尺度模型的优化
•     4.1.1 均一化模型简化线圈建模
•     4.1.2 优化模型的计算流程
•   4.2 优化模型的验证
•     4.2.1 单线圈模型
•     4.2.2 双线圈模型
•   4.3 内插线圈损耗计算的优化
•     4.3.1 背景场线圈的仿真优化
•     4.3.2 目标线圈均匀电流密度的应用
•   4.4 本章小结
• 第5章 大型磁体中多尺度模型的应用
•   5.1 混合磁体
•     5.1.1 研究背景
•     5.1.2 混合磁体结构参数
•   5.2 高温超导磁体多尺度模型
•     5.2.1 均匀电流密度的使用
•     5.2.2 单股导线交流损耗模型
•     5.2.3 整个磁体交流损耗模型
•     5.2.4 Bi-2212临界电流密度
•   5.3 交流损耗结果
•     5.3.1 单股导线的交流损耗
•     5.3.2 高温超导磁体的交流损耗
•   5.4 结果分析与应用
•     5.4.1 单股导线交流损耗对比
•     5.4.2 交流损耗与磁场强度对比
•     5.4.3 结果应用1
•     5.4.4 结果应用2
•     5.4.5 结果应用3
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王磊

导师: 万元熙,宋云涛

关键词: 多尺度模型,数值模型,高温超导线圈,交流损耗,托卡马克,中心螺线管线圈

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O511.3

总页数: 158

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