CN116432484B - 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 - Google Patents
无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116432484B CN116432484B CN202310289891.6A CN202310289891A CN116432484B CN 116432484 B CN116432484 B CN 116432484B CN 202310289891 A CN202310289891 A CN 202310289891A CN 116432484 B CN116432484 B CN 116432484B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- superconducting cavity
- field
- cooling
- electromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 149
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000010791 quenching Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 46
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 4
- 230000009123 feedback regulation Effects 0.000 claims description 3
- 238000005316 response function Methods 0.000 claims description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 6
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000005433 particle physics related processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法，其步骤包括：1)建立无液氦超导腔的几何模型并对其进行网格剖分；对几何模型中的冷却结构尺寸进行参数化并设置材料参数、接触热阻；2)对几何模型进行建场，包括超导腔的温度场和电磁场，冷却结构的温度场和电磁场；3)对超导腔、冷却结构的电磁场与超导腔、冷却结构的温度场进行双向耦合求解，直至满足收敛要求，得到不同时刻的温度、电磁损耗数据；其中，温度场与电磁场之间通过电磁损耗相互作用，双向耦合；4)基于步骤3)所得各时刻的温度、电磁损耗数据对所述冷却结构的降温过程及失超过程进行传热性能评估，确定出无液氦超导腔最优的冷却结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种无液氦超导腔降温、失超过程的多物理场耦合数值仿真方法，该方法综合考虑了电磁场、温度场之间的双向耦合作用，可用于无液氦超导腔的冷却结构设计、降温策略研究以及失超后的瞬态分析。
背景技术
超导加速器能够提供更强的束流功率和更高的加速梯度，是未来加速器的主要发展趋势。超导腔是超导加速器中的主要加速部件，负责为束流加速以及提供能量。为了保证超导腔运行，需要配备一套复杂昂贵的大型低温系统提供稳定可靠的低温环境(4.2K/2K)。随着超导腔性能的不断提升，超导腔的动态热负荷逐渐降低，消耗的冷量也逐渐减少。这使得基于小型制冷机的传导冷却方案成为可能。
采用热传导形式冷却的微型射频超导结构在近几年来已逐渐成为国际上的研究热点，美国、日本等国的著名粒子物理实验室纷纷开展了相关研究。目前，关于传导冷却加速器的研究集中在概念设计、关键技术研发以及测试数据积累等工作，正在逐步走向实用化。因此有必要进行提前布局以及相关的基础研究。
由于小型制冷机的冷量较低，不能像液氦浸泡冷却方案提供较大的冷量冗余，因此需要设计高效可靠的传导冷却结构。此外，传导冷却方案会导致超导腔较大的温度梯度(包括降温过程以及运行过程)，这也对超导腔的降温策略以及对失超后的处理提出了新的要求。对于无液氦超导腔的降温，由于降温策略会影响超导腔的性能，且控制超导腔表面温度的手段有限，需要提出一条最优的降温策略以满足降温需求。同时对于超导腔的局部失超应该及时移除失超带来的热量，降低失超的风险。相较传统的液氦浸泡冷却方式，无液氦超导腔采用传导冷却方式的传热能力降低，因此对于无液氦超导腔的传热机理应进行更加深入的研究。目前这项工作在国外主要通过实验观测进行数据积累，改善冷却结构的设计。国内迫切需要建立一套基于多物理场耦合数值仿真技术对无液氦超导腔的传热过程进行系统的研究，分析关键参数对传热过程的影响，提高冷却结构设计能力并积累数据，指导后续实验的开展。
发明内容
基于无液氦超导腔的研究现状，本发明提出了一种无液氦超导腔降温、失超过程的多物理场耦合数值仿真方法，该方法综合考虑了电磁场、温度场之间的双向耦合作用，可用于无液氦超导腔的冷却结构设计、降温策略研究以及失超后的瞬态分析，节省不同方案的迭代时间。也可以在充分的数值仿真的基础上，量化关键因素对冷却结构的影响，提高设计的可靠性。
本发明的技术方案为：
一种无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法，其步骤包括：
1)建立无液氦超导腔的几何模型并对其进行网格剖分；对几何模型中的冷却结构尺寸进行参数化并设置材料参数、接触热阻；
2)对所述几何模型进行建场，包括超导腔的温度场和电磁场，冷却结构的温度场和电磁场；
3)对超导腔、冷却结构的电磁场与超导腔、冷却结构的温度场进行双向耦合求解，直至满足收敛要求，得到不同时刻的温度、电磁损耗数据；其中，温度场与电磁场之间通过电磁损耗相互作用，双向耦合，Rs(T)为超导腔、冷却结构的表面电阻，HRF为超导腔、冷却结构表面的切向磁场强度大小；
4)基于步骤3)所得各时刻的温度、电磁损耗数据对所述冷却结构的降温过程及失超过程进行传热性能评估，确定出无液氦超导腔最优的冷却结构。
进一步的，进行双向耦合求解的方法为：在每个时刻t，计算超导腔、冷却结构的温度场，得到时刻t的温度数据并将其传递至超导腔、冷却结构的电磁场进行计算，得到时刻t的电磁损耗数据并传递至温度场进行下一时刻的计算；经过数次迭代直至温度场、电磁场均满足收敛要求，得到不同时刻的温度数据、电磁损耗数据。
进一步的，采用有限体积法计算每一时刻温度场的温度数据；当时刻T时，温度场的迭代误差低于10-6、电磁场的迭代误差低于10-8，则判定温度场、电磁场均满足收敛要求。
进一步的，基于步骤3)所得各时刻的温度数据对所述冷却结构的降温过程进行传热性能评估。
进一步的，基于步骤3)所得各时刻的温度数据、电磁损耗数据对所述冷却结构的失超过程进行传热性能评估。
进一步的，得到不同时刻的温度数据的方法为：
61)将所述几何模型的网格数据导入温度场求解器并在温度场求解器中设置边界条件和初始值；
62)根据当前的降温策略在超导腔上布置加热器并设置加热器的功率随温度的响应函数；根据每一时刻超导腔的温度、温度梯度随时间的变化，对加热器的功率进行反馈调节；
63)计算每个时刻的温度分布，判断降温策略是否满足收敛要求；如果满足收敛要求则结束计算，否则更换降温策略并重复步骤62)～63)，直至满足收敛要求。
进一步的，根据每一降温策略得到一组关键物理量，用于更新该降温策略所需测量的温度以及布置传感器的位置；所述关键物理量包括：
a)降温过程中超导腔的温度变化；
b)度过设定温区所需的时间；
c)降温时超导腔的温度梯度随时间的变化、降温时超导腔的最大温度随时间的变化；
d)温度梯度导致的应变随时间的变化。
进一步的，对于动态热负荷波动引起的失超进行仿真，得到不同时刻的电磁损耗数据，包括：
a)局部温度升高后，电磁损耗以及超导腔的温度分布随时间的变化，电磁损耗通过测量冷头带走的热量；
b)从局部温度升高至达到失超转变温度的时间；
c)失超区域的的面积、失超传播速度随时间的变化；
d)失超保护之后，超导腔所能达到的最高温度以及超导腔重新恢复超导所需的时间。
进一步的，对于冷头的冷却能力下降引起的失超进行仿真，得到不同时刻的电磁损耗数据，包括：
a)冷头冷量降低或者温度升高时，冷却结构以及超导腔的温度场随时间的变化；
b)冷头温度随时间波动时，超导腔的温度场波动；
c)满足超导腔不同电磁损耗的最低冷却能力；
d)当冷却能力下降后，超导腔发生失超的时间；
e)监测冷却能力下降的传感器位置。
本发明的优点如下：
本发明可以对无液氦超导腔的降温策略和失超过程中的关键因素进行系统、高效、准确的分析，获得一些实验难以测试的物理参数；通过仿真，可以极大提高冷却结构设计的冷却能力，综合考虑不同工况对冷却结构的要求；可以指导传感器的位置以及相应的控制方案，为温度等参数的准确测量提供建议；可以在无液氦超导腔的研发测试中指导实验设计，降低实验的时间成本。此外本方法作为研究无液氦冷却超导腔技术的有力工具，一定程度上弥补了该技术领域的空白。
附图说明
图1为传导冷却超导腔结构图。
图2为本发明方法流程图。
图3为超导腔各物理场示意图。
图4为双向耦合求解方法流程图。
图5为降温过程仿真流程图。
图6为失超过程仿真流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明针对的传导冷却超导腔如图1所示，本发明所采用的技术方案流程如图2所示。
具体而言可分别表述如下：
特点1：
使用三维制图软件建立无液氦超导腔的几何模型，包括超导腔、冷却结构、冷头等。其中冷却结构的尺寸采取参数化建模的方法，便于优化冷却结构的尺寸。
超导腔以及冷却结构的温度场、电磁场之间存在相互耦合，所以需要在数值模拟过程中进行耦合求解。图3给出了各物理场示意图、网格以及相互作用的界面。
现将超导腔以及冷却结构的各物理场的控制方程做以介绍：
(1)热场
热传导满足傅里叶导热定律：
其中T为温度，λ为热导率、q为热流密度。
冷屏会通过辐射向超导腔传递热量。辐射热量采用Stefan-Boltzmann定律：
其中，ε为物体的发射率，σ为Stefan-Boltzmann常量，其值为：5.67×10-8W/(m2·K4)。导热微分方程形式为：
其中ρ为密度，c为热容、qv为内热源。
(2)电磁场
电磁场控制方程为麦克斯韦方程组；
本构关系为：
D＝εE
B＝μH
J＝σE
其中E为电场强度(V/m)，B为磁通密度(T)，H为磁场强度(A/m)，J为体电流密度(A/m3)，D为电通密度(C/m2)，ρ为体电荷密度(C/m3)，ε为相对介电常数，μ为相对磁导率，σ为电导率。电磁场的区域如图3中所示。
在物理场的边界上，存在平衡条件。耦合物理场之间场变量的相互作用通过以下方式描述，这里以热场A、电磁场B为例：
热场A的数学描述：
FA(XA,XA→B,XB→A)＝0
电磁场B的数学描述：
FB(YB,YB→A,YA→B)＝0
A与B之间耦合关系可以通过以下的方式表示：
CA→B(XA→B,YA→B)＝0
CB→A(XB→A,YB→A)＝0
其中，FA，FB代表微分算子，XA，YB为独立变量，XA→B，XB→A，YB→A，YA→B为耦合变量，该量会影响另一个物理场或者受另一个物理场的影响。CA→B，CB→A代表了耦合变量之间的函数关系。
特点2：
图3中的温度场与电磁场之间通过电磁损耗Pdiss相互作用，双向耦合。高频电磁场由于集肤效应会在金属表面产生电磁损耗，电磁损耗由材料的表面电阻以及磁场强度的大小决定：
其中，Pdiss为表面电磁功率损耗，W/m2，Rs(T)为表面电阻，其大小与材料的温度密切相关，HRF为金属表面的切向磁场强度大小，A/m。
图4为双向耦合瞬态求解时的具体步骤，其中，Δt为时间步长，i，j分别代表每个时间步内的温度场和电磁场的迭代步数。电磁场与温度场双向耦合求解，直至满足收敛要求。温度场的求解采用有限体积法(FVM)，要求温度场每个时刻的迭代误差低于10-6，电磁场每时刻的迭代误差低于10-8。在每个时刻，温度场计算完成后，将温度数据传递至电磁场进行计算，电磁场计算结束后将电磁损耗数据传递至温度场。经过数次迭代直至温度场、电磁场均满足收敛要求，认为该时刻的计算完成，进行下一时刻的计算。双向耦合的瞬态求解可以提供不同时刻的温度、电磁损耗数据。
瞬态分析用于研究超导腔的降温以及失超过程中温度等变量随时间的变化。
针对每一个设计的超导腔冷却结构，需要采用上述的建立的多物理场耦合数值仿真方法对其传热性能进行评估，包括降温过程和失超过程。降温过程中只需要对温度场进行求解，在失超过程中需要对电磁场、温度场进行求解。通过对冷却结构在降温与失超过程中的传热能力进行综合评估，才能确定最优的冷却结构。
特点3：
降温过程的数值模拟：
采用小型制冷机冷却的超导腔在降温过程中，对于温度的控制方式与采用传统氦气兑温降温的方式相比，其降温速率、温度均匀性以及温度的可控性都存在不足。小型制冷机只有两级冷头，一般一级冷头用于冷屏，降低辐射热，二级冷头用于超导腔的降温。为了提高设备的降温速率，冷质量的设计不能太大，传导结构的材料以及连接处的接触热阻均会显著影响整体的降温过程。
超导腔的降温速率以及降温过程的温度梯度也会对超导腔的性能产生很大的影响。由于二级冷头的冷量较低，同时调节的手段有限，所以整个降温过程的速率控制有很大的困难，例如快速降温等手段很难使用。
此外在超导腔的测试过程中，为了提高测试效率，超导腔的复温时间也应该在满足超导腔复温要求的前提下尽量缩短。
由于小型制冷的温度以及冷量的调节能力有限，这要求整个降温过程的热量需要被高效地传输。同时对于重要位置的温度以及位移观测也极为重要，准确的温度反馈是控制和调节降温速度的基础。
采用本发明提出的数值方法，可对降温过程进行瞬态分析，获得不同降温策略温度随时间的变化。使用该数值方法，模拟降温过程时，只对温度场进行求解。材料属性随温度变化，并加入了接触热阻等关键参数。降温过程仿真流程如图5所示，使用该模型进行进行降温过程的模拟时的步骤包括：
1.建立几何模型，并进行网格剖分；
2.将网格导入温度场求解器，设置材料参数、接触热阻，使用有限差分法进行温度场的求解。在温度场求解器中设置边界条件和初始值。设定超导腔和冷却结构的初始温度为300K。根据脉管制冷机的温度-冷量图设置与冷头接触面的边界条件。
3.不同的降温策略的区别主要是调整布置在超导腔上的加热器的数量以及加热器的功率随温度的响应。根据超导腔的温度、温度梯度随时间的变化，对加热器的功率进行反馈调节。
4.不同的加热器数量以及加热器的功率随时间、温度的变化关系，代表一种降温策略。
5.根据计算每个时刻的温度分布，判断降温策略是否满足要求。满足则结束计算，不满足则修改传感器的数量和功率，重新计算直至满足降温需求。
通过仿真，通过所得的温度场数据，可以获得不同降温策略对应的关键物理量，如下：
a)降温过程中超导腔的温度变化；
b)度过特定温区所需的时间(例如快速降温区间)；
c)降温时超导腔的温度梯度、最大温度等随时间的变化；
d)温度梯度导致的应变随时间的变化，以确定确定相应的降温策略是否满足超导腔的降温要求；
e)确定需要测量的温度以及位移的位置，用于布置对应的传感器。
对降温策略进行仿真之后，需要提出对应的温度控制方案。超导腔的温度控制可以通过布置在超导腔的加热器进行控制。通过采用修改边界条件的方式，将控制方案和降温策略植入数值模型中，迭代优化降温策略与控制方案。
特点4：
失超过程的数值模拟：
引发超导腔失超的原因包括动态热负荷波动引起的失超和冷却能力下降引起的失超。动态热负荷波动主要指局部的缺陷导致的局部电磁损耗升高或者馈入功率升高导致的超导腔局部温度升高直至超过转变温度，并进一步引起更多区域的失超。冷却能力下降导致的失超主要指冷头的冷却能力下降，超导腔整体的温度升高，表面电阻随温度升高后会产生更多的电磁损耗，引发超导腔失超。
超导腔发生局部失超之后，局部区域的温度以及电磁损耗会迅速升高。采用传导冷却时，热量的传输能力会显著低于液氦浸泡冷却，所以超导腔表面的电磁损耗所能承受的极大值(不引起整个超导腔失超的局部最大电磁损耗)受到超导腔的表面电阻、几何参数、物性参数及整个冷却结构的影响。超导腔发生局部失超后的整个冷却系统的温度响应以及温度监测手段，对于冷却结构的设计和优化至关重要。图6给出了使用多物理场模型仿真的具体流程。计算获得瞬态的温度、电磁场后，对结果进行后处理，分别得到不同原因导致失超后的关键物理参数。
对于动态热负荷波动引起的失超，使用多物理场双向耦合求解，修改超导腔内表面的表面电阻或者提高馈入的功率均可以导致超导腔的动态热负荷升高。不同位置的失超，可能会导致不同的温度传播特征。通过仿真，对结果进行后处理，可以获得以下的关键物理参数：
a)局部温度升高后，电磁损耗以及超导腔的温度分布随时间的变化，电磁损耗通过测量冷头带走热量计算；
b)从局部温度升高至达到失超转变温度(9.2K)的时间；
c)失超区域的的面积、失超传播速度随时间的变化；
d)失超保护之后(撤去电磁场)，超导腔所能达到的最高温度以及超导腔重新恢复超导所需的时间；
e)发生失超后冷却结构的导热能力的评估。
对于冷头的冷却能力下降引起的失超，使用多物理场双向耦合求解。根据制冷机二级冷头的温度和冷量的对应关系，修改冷头处的边界条件模拟冷却能力的变化，即通过自定义冷头处的边界条件，规定冷头传热量与温度的关系的方式模拟冷头的冷却能力变化。由于制冷机的冷头不能处理为理想的定壁温条件，其温度会随传热量变化。当冷头的冷却能力下降时，冷头的温度会升高，引起整个系统的温度变化。通过修改冷头的边界条件，可以获得以下的关键物理参数：
a)二级冷头冷量降低或者温度升高时，冷却结构以及超导腔的温度场随时间的变化；
b)冷头温度随时间波动时，超导腔的温度场波动；
c)满足超导腔不同电磁损耗的最低冷却能力(保证超导腔的温度在允许范围内)；
d)当冷却能力下降后，超导腔发生失超的时间；
e)确定能够准确、及时监测冷却能力下降的传感器位置，提前做好监测和控制。
失超过程的仿真主要是为了评估冷却结构在失超后的传热能力，评估冷却结构设计的合理性。冷却结构需要同时满足降温过程、失超过程的要求，进行综合的评估。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (3)
1.一种无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法，其步骤包括：
1)建立无液氦超导腔的几何模型并对其进行网格剖分；对几何模型中的冷却结构尺寸进行参数化并设置材料参数、接触热阻；
2)对所述几何模型进行建场，包括超导腔的温度场和电磁场，冷却结构的温度场和电磁场；
3)对超导腔、冷却结构的电磁场与超导腔、冷却结构的温度场进行双向耦合求解，直至满足收敛要求，得到不同时刻的温度、电磁损耗数据；其中，温度场与电磁场之间通过电磁损耗相互作用，双向耦合，Rs(T)为超导腔、冷却结构的表面电阻，T为温度，HRF为超导腔、冷却结构的切向磁场强度大小；其中进行双向耦合求解的方法为：在每个时刻t，计算超导腔、冷却结构的温度场，得到时刻t的温度数据并将其传递至超导腔、冷却结构的电磁场进行计算，得到时刻t的电磁损耗数据并传递至温度场进行下一时刻的计算；经过数次迭代直至温度场、电磁场均满足收敛要求，得到不同时刻的温度数据、电磁损耗数据；
得到不同时刻的温度数据的方法为：31)将所述几何模型的网格数据导入温度场求解器并在温度场求解器中设置边界条件和初始值；32)根据当前的降温策略在超导腔上布置加热器并设置加热器的功率随温度的响应函数；根据每一时刻超导腔的温度、温度梯度随时间的变化，对加热器的功率进行反馈调节；33)计算每个时刻的温度分布，判断降温策略是否满足收敛要求；如果满足收敛要求则结束计算，否则更换降温策略并重复步骤32)～33)，直至满足收敛要求；
根据每一降温策略得到一组关键物理量，用于更新该降温策略所需测量的温度以及布置传感器的位置；所述关键物理量包括：a)降温过程中超导腔的温度变化；b)度过设定温区所需的时间；c)降温时超导腔的温度梯度随时间的变化、降温时超导腔的最大温度随时间的变化；d)温度梯度导致的应变随时间的变化；
采用有限体积法计算每一时刻温度场的温度数据；当时刻t时，温度场的迭代误差低于10-6、电磁场的迭代误差低于10-8，则判定温度场、电磁场均满足收敛要求；
4)基于步骤3)所得各时刻的温度数据对所述冷却结构的降温过程进行传热性能评估，以及基于步骤3)所得各时刻的温度数据、电磁损耗数据对所述冷却结构的失超过程进行传热性能评估，确定出无液氦超导腔最优的冷却结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于动态热负荷波动引起的失超进行仿真，得到不同时刻的电磁损耗数据，包括：
a)局部温度升高后，电磁损耗以及超导腔的温度分布随时间的变化，电磁损耗通过测量冷头带走的热量；
b)从局部温度升高至达到失超转变温度的时间；
c)失超区域的面积、失超传播速度随时间的变化；
d)失超保护之后，超导腔所能达到的最高温度以及超导腔重新恢复超导所需的时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于冷头的冷却能力下降引起的失超进行仿真，得到不同时刻的电磁损耗数据，包括：
a)冷头冷量降低或者温度升高时，冷却结构以及超导腔的温度场随时间的变化；
b)冷头温度随时间波动时，超导腔的温度场波动；
c)满足超导腔不同电磁损耗的最低冷却能力；
d)当冷却能力下降后，超导腔发生失超的时间；
e)监测冷却能力下降的传感器位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310289891.6A CN116432484B (zh) | 2023-03-23 | 2023-03-23 | 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310289891.6A CN116432484B (zh) | 2023-03-23 | 2023-03-23 | 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116432484A CN116432484A (zh) | 2023-07-14 |
| CN116432484B true CN116432484B (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=87089970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310289891.6A Active CN116432484B (zh) | 2023-03-23 | 2023-03-23 | 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116432484B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103400010A (zh) * | 2013-08-08 | 2013-11-20 | 英特工程仿真技术（大连）有限公司 | 一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法 |
| CN109063311A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-12-21 | 黑龙江科技大学 | 一种永磁同步电机温升散热分析方法 |
| WO2019223368A1 (zh) * | 2018-05-22 | 2019-11-28 | 深圳供电局有限公司 | 一种高温超导corc仿真建模方法 |
| CN112800685A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-05-14 | 湖南大学 | 一种高精度的电机多物理场耦合仿真计算方法 |
| CN114999595A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-09-02 | 华中科技大学 | 基于有限元的超导线圈整体过流失超仿真建模方法和系统 |
| CN115238545A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-25 | 华北电力大学（保定） | 一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法 |
| CN115565745A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-03 | 华中科技大学 | 基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113657064B (zh) * | 2021-08-20 | 2024-02-27 | 深圳市优联半导体有限公司 | 一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法 |
-
2023
- 2023-03-23 CN CN202310289891.6A patent/CN116432484B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103400010A (zh) * | 2013-08-08 | 2013-11-20 | 英特工程仿真技术（大连）有限公司 | 一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法 |
| WO2019223368A1 (zh) * | 2018-05-22 | 2019-11-28 | 深圳供电局有限公司 | 一种高温超导corc仿真建模方法 |
| CN109063311A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-12-21 | 黑龙江科技大学 | 一种永磁同步电机温升散热分析方法 |
| CN112800685A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-05-14 | 湖南大学 | 一种高精度的电机多物理场耦合仿真计算方法 |
| CN114999595A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-09-02 | 华中科技大学 | 基于有限元的超导线圈整体过流失超仿真建模方法和系统 |
| CN115238545A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-25 | 华北电力大学（保定） | 一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法 |
| CN115565745A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-03 | 华中科技大学 | 基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116432484A (zh) | 2023-07-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105740536B (zh) | 对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法 | |
| JP5286623B2 (ja) | 高周波焼入れシミュレーション装置 | |
| CN104834781B (zh) | 一种基于平波电抗器多次换向失败时的暂态温度场仿真方法 | |
| Yang et al. | FEM simulation of quenching process in A357 aluminum alloy cylindrical bars and reduction of quench residual stress through cold stretching process | |
| CN114139420A (zh) | 一种石英灯辐射加热虚拟试验方法 | |
| Park et al. | Optimization of the in-line induction heating process for hot forging in terms of saving operating energy | |
| Peng et al. | Finite element analysis of temperature uniformity in transverse induction heating process in ESP rolling | |
| CN116432484B (zh) | 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法 | |
| CN116484586A (zh) | 一种计算磁约束等离子体湍流特性的方法、系统、设备和存储介质 | |
| Liu et al. | Thermal fatigue life prediction method for die casting mold steel based on the cooling cycle | |
| Sun et al. | Simulation and experimental research on local continuous induction heating of inner corrugated section | |
| Khalifa et al. | Sensitivity study of hardness profile of 4340 steel disc hardened by induction according to machine parameters and geometrical factors | |
| CN114254528A (zh) | 一种超导磁体失超过程的有限元分析方法 | |
| CN113919241A (zh) | 压力容器外部冷却临界热通量的测量方法与装置 | |
| Xiao et al. | Temperature gradient control of frequency conversion heating for a thick-walled pipe based on energy transfer | |
| CN109598008B (zh) | 一种层流u形冷却过程有限元仿真计算方法 | |
| Huang et al. | The thermal analysis and experimental research of HL-2M vacuum vessel thermal insulation layer | |
| Liu et al. | Coupled modeling of electromagnetic-thermal problem in induction heating process considering material properties | |
| Gilev et al. | Mathematical model of induction heating with heat transfer of cylindrical body for pressing treatment | |
| Kenichi et al. | The basic methods for understanding of plasma equilibrium toward advanced control | |
| Sun et al. | Electromagnetic-Thermal Modeling of Multi-Turn Electromagnetic Rail Launcher with Phase Transition | |
| JP7446381B2 (ja) | 冷却シミュレーション方法、冷却シミュレーションプログラム、冷却シミュレーション装置及びワークの冷却方法 | |
| Grozdanov et al. | Numerical Modeling of the Electromagnetic System in an Induction Brazing System | |
| Ge et al. | Optimization control of induction hardening process | |
| CN114722646B (zh) | 基于克里金模型的自给能探测器三维测点布置优化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |