基于H方程对不同结构高温超导体的交流损耗仿真计算研究

摘要

高温超导复杂结构模型如堆叠、螺旋、电缆等与单根超导线材相比，由于其有着结构上的优势，使其在结构上具有较高的灵活性且拥有较大载流密度等优点，使得不同结构的超导线材在医疗、军事等等领域中均有很大的发展前景。但是高温超导材料的超导部分形状为椭圆形或矩形，导致其在通电时产生的垂直磁场始终无法有效降低。
　　本文运用仿真软件进行数值模拟及仿真计算，通过与相关实验结果进行对比，更加全面地对各种超导线材及其复杂结构的交流损耗等特性进行了研究和分析。各种仿真软件及运算技术随着不断发展已经逐渐趋于成熟，目前为止较为简单的超导材料结构的仿真技术目前已经较为透彻，而有限元分析法、场-路耦合小系统分析法以及电力系统分析法则作为当前在进行仿真计算时最为常用的三种数值仿真计算方法。
　　本文将基于多物理场建模的高级数值仿真软件COMSOL Multiphysics，首先以单根超导线材为基础，对传统二维有限元仿真模型进行优化后，基于H方程搭建二代高温超导线材堆叠结构的有限元仿真模型，并通过将二维H方程扩维成三维H方程后，在进行一系列的几何模型优化以及网格优化后，建立方形线三维有限元仿真模型，并将三维模型与二维模型的仿真计算结果进行对比。
　　然后在此基础上，搭建了高温超导限流器的Bi-2223的螺线型结构的有限元模型，搭建YBCO超导电缆有限元仿真模型，并且针对新型线材方形线搭建了由14根方形线组成的内半径为3mm的方形线电缆进行仿真计算，并且进行了相关的实验研究。分析对如何降低超导线材螺线型结构的交流损耗以及方型线电缆相较于YBCO高温超导电缆的优越性进行探究。
　　实验结果表明，通过三维与二维模型仿真结果、理论计算结果对比，证实了本次试验搭建的三维有限元仿真模型结果可靠，模型搭建方法以及三维公式扩展可以应用到以后复杂的三维模型;螺线型结构的超导线材，通过改变单线型螺线圈的间距可以有效降低其交流损耗，对于双线型螺线圈，在通入同向电流时交流损耗并不会有明显降低，但通入反向电流时，因为在线材中通过相反方向的电流使得磁场被抵消，有效的降低了交流损耗;方形线超导电缆相较于YBCO超导电缆具有更高的临界电流，且交流损耗更低。

目录

声明

摘要

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本文结构

第2章 超导体的仿真基础

2．2．2 T-Ω方程

2．2．3 H方程

2．3 仿真方法

2．3．1 二维有限元方法

2．3．3 电力系统仿真方法

2．4 仿真软件

2．4．1 COMSOL Mulitiphysics

2．4．2 PSCAD／EMTDC

2．5 本章小结

第3章 堆叠结构及三维方形线仿真计算

3．1 引言

3．2 二维COMSOL Multiphysics基本设置

3．2．1 物理场模块优化

3．2．2 网格剖分优化

3．2．3 二维有限元仿真模型

3．3 超导线材堆叠结构有限元仿真计算

3．3．1 交流损耗仿真

3．3．2 交流损耗实验

3．3．3 实验与仿真结果分析

3．4 构建三维仿真模型

3．4．1 H方程扩维

3．4．2 三维COMSOL Multiphysics应用

3．5 方形线三维有限元仿真计算

3．5．1 方形线几何结构

3．5．2 仿真结果与分析

3．6 本章小结

第4章 螺线型结构及圆筒形结构仿真计算

4．1 引言

4．2．1 几何结构

4．2．2 不同间距的单线型螺线圈交流损耗特性

4．2．3 双线型螺线圈交流损耗特性

4．3 YBCO超导电缆仿真模型及特性分析

4．3．1 YBCO超导电缆有限元仿真模型

4．3．2 YBCO电缆的交流损耗特性

4．4 方形线超导电缆仿真模型及特性分析

4．4．1 方形线超导电缆有限元仿真模型

4．4．2 方形线超导电缆的交流损耗特性

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢