CN117709218A - 超导磁铁冷却结构的热仿真方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法、装置、设备和存储介质，该超导磁铁冷却结构的热仿真方法包括：根据设计要求确定超导线圈和冷却结构的目标尺寸；对确定目标尺寸的超导线圈和冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，并根据热仿真的结果确定至少一个特征位置；通过不同的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中特征位置处的仿真温度；对几何建模的冷却结构进行冷却仿真实验，监测特征位置处的实验温度，根据实验温度和仿真温度确定接触热阻值范围；基于接触热阻值范围对冷却结构进行热仿真分析。通过本发明提供的技术方案提供热仿真结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
超导磁铁是指超导线圈及其维持低温的冷却结构的总称，是超导粒子加速器中的重要的核心部件，粒子的前进、加速偏转等均需要超导磁铁的参与。为了使超导线圈维持低温，通常采用液氦浸泡冷却的方式，在冷却结构中布置液氦冷却管道，通过管道内流动的液氦对超导导体进行直接或间接冷却。但快脉冲超导磁铁在运行过程中的磁场变化率高，将在超导线圈和金属结构上产生大的交流损耗，液氦浸泡冷却的方式已满足不了超导线圈稳定运行的要求。因此，优化冷却管道布置及超导线圈结构将热量及时导出，使超导磁铁能够稳定运行显得极其重要。在快脉冲超导磁体设计过程中，主要利用仿真软件对超导磁铁进行热仿真分析，得到超导磁铁冷体温度分布及冷却管道中液氦的流体状态参数，进行优化设计，使快脉冲超导磁铁满足稳定运行条件，但现有的仿真方案会受到其他因素的影响，使得仿真结果的准确度较低，进而影响超导磁铁冷却结构的设计和优化。
发明内容
本发明提供一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法、装置、设备和存储介质，用以解决现有技术中仿真结果的准确率较低的缺陷，实现提高仿真结果的准确率的技术效果。
本发明提供一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；所述方法包括：
根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围，包括：
向所述超导线圈中施加不同的瞬态电流，生成对应的交流损耗热功率；
基于生成的所述交流损耗热功率对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度；
将所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到匹配结果；
根据所述匹配结果调整所述接触热阻值，直至所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到所述接触热阻值范围。
根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸，包括：
获取设计要求中针对磁场的物理要求，并根据所述物理要求对所述超导磁铁中的超导线圈进行建模；
根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸；
对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸。
根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述热传导结构包括两个热传导层；两个所述热传导层分别设置在所述冷却管的两侧，位于所述冷却管与所述线圈之间，所述热传导层上设置有至少一个隔断区域。
根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸，包括：
对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈的第一交流损耗热功率分布、所述热传导层的第一涡流损耗热功率分布和所述冷却管的第二涡流损耗热功率分布；
根据所述第一交流损耗热功率分布、所述第一涡流损耗热功率分布和所述第二涡流损耗热功率分布确定所述热传导层的目标厚度尺寸和目标截断尺寸。
根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，在所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸，所述方法还包括：
基于所述目标尺寸确定所述冷却结构的涡流热源分布与所述超导磁铁的磁场分布；
将所述磁场分布与所述涡流热源分布导出为三维坐标的表格数据；
根据所述磁场分布所对应的表格数据计算所述超导线圈上第二交流损耗热功率分布；
将所述冷却结构的涡流热源分布和所述超导线圈上的第二交流损耗热功率分布所对应的数据以表格形式导入Ansys热分析模块，并作为热载荷；
将所述涡流热源分布作为载荷条件进行热场和流场的耦合传热分析。根据本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸，包括：
基于初始尺寸下对所述冷却管进行三维建模，并根据三维建模确定所述冷却管中的流体域；
对所述冷却管和所述流体域进行网格划分，并剖分边界层网格；
获取冷却液的物性参数，基于网格划分后的冷却管、所述流体域，以及边界层网络，根据所述物性参数对所述冷却管中的冷却液的流动进行仿真；
获取所述冷却液的边界条件和初始条件，根据所述边界条件、所述初始条件和仿真的所述冷却液检测所述冷却液的压降是否符合所述设计要求；
根据所述冷却液的压降符合所述设计要求时的尺寸确定所述冷却管的目标尺寸。
本发明还提供一种超导磁铁冷却结构的热仿真装置，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；所述装置包括：
第一确定模块，配置为根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
建模模块，配置为对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
热仿真模块，配置为通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
冷却仿真实验模块，配置为对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
热仿真分析模块，配置为基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述超导磁铁冷却结构的热仿真方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述超导磁铁冷却结构的热仿真方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述超导磁铁冷却结构的热仿真方法。
本发明提供的一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法、装置、设备和存储介质，根据设计要求确定超导线圈和冷却结构的目标尺寸，再基于目标尺寸对超导线圈和冷却结构进行几何建模，预设的有接触热阻值，先基于预设的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，并根据热仿真的结果确定至少一个特征位置，通过不同的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，监测不同接触热阻值的热仿真过程中特征位置处的仿真温度，同时对几何建模的冷却结构进行冷却仿真实验，监测特征位置处的实验温度，结合实验温度和仿真温度确定接触热阻值范围，最后接触热阻值范围对冷却结构进行热仿真分析。在对冷却结构进行热仿真时结合了接触热阻值，在一定程度上降低最终仿真结果受到接触热阻值的影响，提高仿真结果的准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的超导磁铁冷却结构的热仿真方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的超导线圈的结构示意图；
图3是本发明提供的冷却管的结构示意图；
图4是本发明提供的超导磁铁的截面示意图；
图5是本发明提供的实施例中步骤140的流程示意图；
图6是本发明提供的实施例中步骤110的流程示意图；
图7是本发明提供的实施例中步骤630的流程示意图；
图8是本发明提供的超导磁铁冷却结构的热仿真方法的流程示意图之二；
图9是本发明提供的实施例中步骤620的流程示意图；
图10是本发明提供的超导磁铁冷却结构的热仿真装置的结构示意图；
图11是本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
1：超导线圈；201：冷却管；202：热传导结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图9描述本发明的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，
如图1所示，图1是根据一示例性实施例示出的一种离子束照射反馈方法的流程图。在一示例性实施例中，该一种离子束照射反馈方法，包括步骤110至步骤150，详细介绍如下：
步骤110，根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
本发明实施例中，根据设计要求确定超导线圈和冷却结构的目标尺寸，请参阅图2至图4，超导磁铁包括超导线圈1和冷却结构，超导线圈包括两个重叠设置的线圈，即如图2所示的内外两层线圈，每层线圈由超导电缆并行排布，冷却结构设置于两个线圈之间，分别与两个线圈接触，冷却结构包括冷却管201和热传导结构202，冷却管201如图3所示，冷却结构如图4所示，超导线圈1产生的热量经过热传导结构202传导至冷却管201，冷却管201中可容纳冷却液流动，冷却液在流动时，带走超导线圈1产生的热量，使得超导线圈1维持低温，使得超导磁铁能够稳定运行。本发明实施例中，可采用超临界氦或两相流氦作为冷却液。
步骤120，对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置。
本发明实施例中，对超导线圈和冷却结构进行几何建模，不考虑热传导结构和冷却管上的涡流损耗，在几何建模时，将热传导结构设置为热传导铜皮或者铝箔。预先设置有一个合理的接触热阻值，基于该接触热阻值对几何建模后的冷却结构进行热仿真，检测冷却结构上的温度，基于冷却结构上的温度确定特征温度。具体的，可选择冷却结构上温度较高的几个位置作为特征位置。
步骤130，通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度。
本发明实施例中，设置不同的接触热阻值，对几何建模后的冷却结构进行热仿真，热仿真所采用的边界条件与进行冷却仿真实验时所采用的条件相同，检测不同接触热阻值下特征位置的仿真温度。
步骤140，对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围。
本发明实施例中，对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，并监测在冷却仿真实验中特征位置处的实验温度，通过比较特征位置处的仿真温度与实验温度，调整接触热阻值，直到仿真温度与实验温度相匹配，将仿真温度与实验温度匹配时的接触热阻值纳入接触热阻值范围。
步骤150，基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
本发明实施例中，将得到的接触热阻值范围输入ANSYS软件中，对超导磁体进行三维热仿真分析，检测仿真结果是否符合设计要求，如果仿真结果不符合设计要求，返回步骤110进行迭代设计，直到仿真结果符合设计要求。
本发明实施例中，根据设计要求确定超导线圈和冷却结构的目标尺寸，再基于目标尺寸对超导线圈和冷却结构进行几何建模，预设的有接触热阻值，先基于预设的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，并根据热仿真的结果确定至少一个特征位置，通过不同的接触热阻值对冷却结构进行热仿真，监测不同接触热阻值的热仿真过程中特征位置处的仿真温度，同时对几何建模的冷却结构进行冷却仿真实验，监测特征位置处的实验温度，结合实验温度和仿真温度确定接触热阻值范围，最后接触热阻值范围对冷却结构进行热仿真分析。在对冷却结构进行热仿真时结合了接触热阻值，在一定程度上降低最终仿真结果受到接触热阻值的影响，提高仿真结果的准确率。
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图5，在步骤140所述对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围，包括步骤510至步骤540，详细介绍如下：
步骤510，向所述超导线圈中施加不同的瞬态电流，生成对应的交流损耗热功率。本发明实施例中，向超导线圈中施加不同带下的瞬态电流，进而超声不同的交流损耗热功率。
步骤520，基于生成的所述交流损耗热功率对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度。
本发明实施例中，基于生成的交流损耗热功率对几何建模的冷却结构进行冷却仿真实验，模拟超导线圈维持低温，超导磁铁能够稳定运行。监测特征位置处的实验温度。
步骤530，将所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到匹配结果。
本发明实施例中，将各个特征位置处的实验温度与对应的仿真温度匹配，得到匹配结果。
步骤540，根据所述匹配结果调整所述接触热阻值，直至所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到所述接触热阻值范围。
本发明实施例中，匹配结果能够表征实验温度与仿真温度是否匹配，在两者匹配时，表明模拟的结果与实际的结果吻合。通过设置不同的接触热阻值，对几何建模的冷却结构进行热仿真，仿真采用的边界条件与冷却仿真实验的条件相同，通过比较特征位置处的仿真温度与实验温度，通过不断调整接触热阻值，直到仿真温度与实验温度相匹配，从而确定该工艺下的接触热阻值范围。
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图6，在步骤110所述根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸，包括步骤610至步骤630，详细介绍如下：
步骤610，获取设计要求中针对磁场的物理要求，并根据所述物理要求对所述超导磁铁中的超导线圈进行建模。
本发明实施例中，超导磁铁在设计时，设置有对应的设计要求，涉及要求中具有物理要求，物理要求包括磁场大小、磁场分布和磁场均匀度、好场区大小等。根据物理要求，通过电磁分析软件Opera3d完成对超导磁铁的电磁场分析，初步设计超导线圈的初始结构形状，并确定线圈并排根数与长度和高度方向的几何尺寸。基于初步确定的形状、尺寸等对超导磁铁进行三维实体建模，建模时，划分网格，并赋予超导磁铁的材料相关物性参数，添加有限元边界条件及初始条件，进行有限元计算，并查看建模完成后的电磁场结果值如磁场强度、好场区范围等是否符合设计要求，如果电磁场结果值不符合设计要求，重新设计超导线圈的结构形状、几何尺寸等，更改线圈参数，直到电磁场结果值达到设计要求。
步骤620，根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸。
本发明实施例中，在得到超导线圈的建模后，采用经验公式初步确定冷却管的初始尺寸，即冷却管的长度和内径，对冷却管进行三维建模，冷却管采取与超导线圈并行排布的方式布置在超导线圈内外层之间。采用流体分析软件Fluent，单独对冷却管内的冷却液流动进行仿真，初步选定冷却管并排根数和内外径，再根据冷却液的压降更改冷却管道并排根数和内径，使得最终确定的目标尺寸中的冷却液压降满足设计要求
步骤630，对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸。
本发明实施例中，采用Opera3d软件对超导线圈进行电磁热耦合计算，得到冷却结构的涡流损耗热功率分布，分析研究不同尺寸的热传导结果对涡流损耗热功率分布的影响，根据第一交流损耗热功率分布和涡流损耗热功率分布最终确定热传导结构的目标尺寸，使得基于目标尺寸形成的冷却结构的涡轮损耗较小，同时热传导结构的尺寸合理。
本发明实施例中，采用Opera3d软件对超导磁铁进行电磁场瞬态分析，可以得到冷却结构上的电流密度E和电场强度J，根据公式计算得到一个周期内热传导层的第一涡流损耗热功率和冷却管的第二涡流损耗热功率分布。
超导线圈的第一交流损耗热功率分布中主要包括迟滞损耗和耦合损耗，计算过程需要超导磁铁的磁场分布。迟滞损耗采用嵌套椭圆模型(the nested ellipse model)进行计算。穿透单根超导股线的磁感应强度B与穿透深度q满足下列方程：
其中，上列公式中μ0为真空磁导率，rf为超导线圈单根股线的半径，JC(T，B)为临界电流密度，临界电流密度JC(T，B)是磁感应强度B和温度T的函数，其对应的计算公式为：
其中，JC0为场强为5T，温度为4.2K时的临界电流密度，C0，α，β，γ，n为拟合参数，Tc0、Bc20分别对应最大临界温度和临界场强的拟合参数。
超导线总的磁化强度为：其中λ是NbTi占超导线横截面比值。ξ是与电流加载有关的系数，对应的值为-1或者1。
通过Matlab编制程序对总的磁化强度进行数值求解。一个周期内，超导线圈单位体积的迟滞损耗功率为：
一个周期单位体积耦合损耗功率为：
其中，τ为耦合电流的时间常数，为磁场变化率。
一个周期，超导线圈单位体积的总的交流损耗功率为：
Qt＝Pcoup+Qhys
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图4，所述热传导结构202包括两个热传导层；两个所述热传导层分别设置在所述冷却管201的两侧，位于所述冷却管201与所述线圈之间，所述热传导层上设置有至少一个隔断区域。
本发明实施例中，如图4所示，在线圈与冷却管201之间设置有一层较薄的热传导层，热传导层与线圈间的接触面积较大，更有利于将线圈处的热量传导至冷却管201，通过冷却液对其进行快速降温。为了减少热传导层上的涡流损耗，在热传导层上设置有至少一个隔断区域，具体的，可在热传导层上每隔一段距离就被隔断，形成一个隔断区域。本发明实施例中，热传导层可采用铜制成，铜的热传导系数较高，更有利于热量的传导，实现对线圈的快速降温。在本发明的其他实施例中，可采用其他热传导系数较高的材料制作热传导层。
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图7，在步骤630所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸，包括步骤710至步骤720，详细介绍如下：
步骤710，对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述线圈的第一交流损耗热功率分布、所述热传导层的第一涡流损耗热功率分布和所述冷却管的第二涡流损耗热功率分布。
本发明实施例中，对超导磁铁进行三维实体建模，划分网格，并赋予超导磁铁材料相关物性参数，添加有限元边界条件及初始条件，进行有限元计算，对电磁场和热场耦合分析，由于变化磁场将在热传导层上产生较大涡流，因此需要对热传导层进行优化设计。采用Opera3d软件对超导磁铁进行电磁热耦合计算，计算得到由于变化的电磁场产生的线圈的第一交流损耗热功率分布、热传导层的第一涡流损耗热功率分布，以及冷却管上的第二涡流损耗热功率分布。
步骤720，根据所述第一交流损耗热功率分布、所述第一涡流损耗热功率分布和所述第二涡流损耗热功率分布确定所述热传导层的目标厚度尺寸和目标截断尺寸。
本发明实施例中，通过对热传导层的厚度和截断区域长度等进行变化，得到对应的第一交流损耗热功率分布、第一涡流损耗热功率分布和第二涡流损耗热功率分布，分析研究不同热传导层厚度以及不同热传导层中的截断区域长度对涡流损耗功率的影响，最终确定热传导层的目标厚度尺寸和目标截断尺寸。
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图8，在步骤630所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸之后，所述方法还包括步骤810至步骤850，详细介绍如下：
步骤810，基于所述目标尺寸确定所述冷却结构的涡流热源分布与所述超导磁铁的磁场分布。
本发明实施例中，基于热传导结果的目标尺寸构建有对应的冷却结构，分析此时冷却结构的涡流热源分布和磁场分布。
步骤820，将所述磁场分布与所述涡流热源分布导出为三维坐标的表格数据。
本发明实施例中，该涡流热源分布与磁场分布是关于三维坐标的分布，将该分布以表格数据的形式导出。
步骤830，根据所述磁场分布所对应的表格数据计算所述超导线圈上第二交流损耗热功率分布。
本发明实施例中，计算第二交流损耗热功率分布与前述步骤630中描述的计算交流损耗热功率分布采用一样的方案，故在此不进行赘述。
步骤840，将所述冷却结构的涡流热源分布和所述超导线圈上的第二交流损耗热功率分布所对应的数据以表格形式导入Ansys热分析模块，并作为热载荷。
本发明实施例中，通过前述步骤可以得到超导线圈的第二交流损耗热功率分布和冷却结构的涡流热源分布的三维热源分布表格数据，将表格数据通过APDL技术导入Ansys热分析模块中作为热载荷。
步骤850，将所述涡流热源分布作为载荷条件进行热场和流场的耦合传热分析。
本发明实施例中，将该涡流热源分布作为载荷条件加载在Ansys热分析模块中，Fluent软件则进行流体的传热分析，再利用Ansys多物理场耦合平台，进行热场和流场的耦合计算。
在本发明的一示例性实施例中，请参阅图9，在步骤620所述根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸，包括步骤910至步骤950，详细介绍如下：
步骤910，基于初始尺寸下对所述冷却管进行三维建模，并根据三维建模确定所述冷却管中的流体域。
本发明实施例中，基于初始尺寸下对冷却管进行三维建模，并根据三维建模确定冷却管中的流体域，即冷却管中冷却液流经的区域。
步骤920，对所述冷却管和所述流体域进行网格划分，并剖分边界层网格。
本发明实施例中，对三维建模中的冷却管和流体域进行网格划分，并剖分边界层网格，边界层网格是从边界表面向内部延伸的体网格，在冷却管网格和流体域网格划分完成之后从边界挤压形成。
步骤930，获取冷却液的物性参数，基于网格划分后的冷却管、所述流体域，以及边界层网络，根据所述物性参数对所述冷却管中的冷却液的流动进行仿真。
本发明实施例中，获取冷却液的物性参数，当冷却液为超临界氦时，超临界氦的物性参数与普通流体有较大差异，需要通过手动方式，将超临界氦运行压力与温度下的物性参数导入Fluent软件，其中物性参数选自NIST数据库。基于网格划分后的冷却管、流体域，以及边界层网络，根据物性参数对冷却管中的冷却液的流动进行仿真。
步骤940，获取所述冷却液的边界条件和初始条件，根据所述边界条件、所述初始条件和仿真的所述冷却液检测所述冷却液的压降是否符合所述设计要求。
本发明实施例中，在Fluent软件中设置冷却液的边界条件与初始条件。具体的，当冷却液为超临界氦时，边界入口流量以及压力等边界条件需要与超导磁铁运行时超临界氦运行流量和压力一致。检测冷却液的压降是否符合设计要求中的压降要求。
步骤950，根据所述冷却液的压降符合所述设计要求时的尺寸确定所述冷却管的目标尺寸。
本发明实施例中，如果冷却液的压降不符合设计要求中的压降要求，重新确定初始尺寸，并进行迭代优化，直到压降符合设计要求，进而确定冷却管目标尺寸。基于冷却液的压降实现对冷却管的尺寸的确定，在一定程度上保障冷却管能够正常的容纳冷却液的流动，保证冷却功能的正常运行。
下面对本发明提供的超导磁铁冷却结构的热仿真装置进行描述，下文描述的超导磁铁冷却结构的热仿真装置与上文描述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法可相互对应参照。需要说明的是，下文实施例所提供的装置与上述实施例所提供的方法属于同一构思，其中各个模块和单元执行操作的具体方式已经在方法实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。
在本发明的一个示例性实施例中，请参阅图10，图10是根据一示例性实施例示出的一种超导磁铁冷却结构的热仿真装置，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；所述装置包括：
第一确定模块1010，配置为根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
建模模块1020，配置为对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
热仿真模块1030，配置为通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
冷却仿真实验模块1040，配置为对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
热仿真分析模块1050，配置为基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
在本发明的一示例性实施例中，冷却仿真实验模块1040，包括：
生成子模块，配置为向所述超导线圈中施加不同的瞬态电流，生成对应的交流损耗热功率；
冷却仿真实验子模块，配置为基于生成的所述交流损耗热功率对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度；
匹配子模块，配置为将所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到匹配结果；
调整子模块，配置为根据所述匹配结果调整所述接触热阻值，直至所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到所述接触热阻值范围。
在本发明的一示例性实施例中，第一确定模块1010，包括：
获取子模块，配置为获取设计要求中针对磁场的物理要求，并根据所述物理要求对所述超导磁铁中的超导线圈进行建模；
仿真子模块，配置为根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸；
计算子模块，配置为对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸。
在本发明的一示例性实施例中，所述热传导结构包括两个热传导层；两个所述热传导层分别设置在所述冷却管的两侧，位于所述冷却管与所述线圈之间，所述热传导层上设置有至少一个隔断区域。
在本发明的一示例性实施例中，计算子模块，包括：
计算单元，配置为对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈的第一交流损耗热功率分布、所述热传导层的第一涡流损耗热功率分布和所述冷却管的第二涡流损耗热功率分布；
第一确定单元，配置为根据所述第一交流损耗热功率分布、所述第一涡流损耗热功率分布和所述第二涡流损耗热功率分布确定所述热传导层的目标厚度尺寸和目标截断尺寸。
在本发明的一示例性实施例中，超导磁铁冷却结构的热仿真装置，还包括：
第二确定模块，配置为基于所述目标尺寸确定所述冷却结构的涡流热源分布与所述超导磁铁的磁场分布；
导出模块，配置为将所述磁场分布与所述涡流热源分布导出为三维坐标的表格数据；
计算模块，配置为根据所述磁场分布所对应的表格数据计算所述超导线圈上第二交流损耗热功率分布；
导入模块，配置为将所述冷却结构的涡流热源分布和所述超导线圈上的第二交流损耗热功率分布所对应的数据以表格形式导入Ansys热分析模块，并作为热载荷；
耦合传热分析模块，配置为将所述涡流热源分布作为载荷条件进行热场和流场的耦合传热分析。
在本发明的一示例性实施例中，仿真子模块，包括：
建模单元，配置为基于初始尺寸下对所述冷却管进行三维建模，并根据三维建模确定所述冷却管中的流体域；
网格划分单元，配置为对所述冷却管和所述流体域进行网格划分，并剖分边界层网格；
仿真单元，配置为获取冷却液的物性参数，基于网格划分后的冷却管、所述流体域，以及边界层网络，根据所述物性参数对所述冷却管中的冷却液的流动进行仿真；
检测单元，配置为获取所述冷却液的边界条件和初始条件，根据所述边界条件、所述初始条件和仿真的所述冷却液检测所述冷却液的压降是否符合所述设计要求；
第二确定单元，配置为根据所述冷却液的压降符合所述设计要求时的尺寸确定所述冷却管的目标尺寸。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；该方法包括：
根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；该方法包括：
根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；该方法包括：
根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；所述方法包括：
根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
2.根据权利要求1所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围，包括：
向所述超导线圈中施加不同的瞬态电流，生成对应的交流损耗热功率；
基于生成的所述交流损耗热功率对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度；
将所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到匹配结果；
根据所述匹配结果调整所述接触热阻值，直至所述实验温度与所述仿真温度匹配，得到所述接触热阻值范围。
3.根据权利要求1所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸，包括：
获取设计要求中针对磁场的物理要求，并根据所述物理要求对所述超导磁铁中的超导线圈进行建模；
根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸；
对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸。
4.根据权利要求3所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述热传导结构包括两个热传导层；两个所述热传导层分别设置在所述冷却管的两侧，位于所述冷却管与所述线圈之间，所述热传导层上设置有至少一个隔断区域。
5.根据权利要求4所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸，包括：
对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈的第一交流损耗热功率分布、所述热传导层的第一涡流损耗热功率分布和所述冷却管的第二涡流损耗热功率分布；
根据所述第一交流损耗热功率分布、所述第一涡流损耗热功率分布和所述第二涡流损耗热功率分布确定所述热传导层的目标厚度尺寸和目标截断尺寸。
6.根据权利要求5所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，在所述对所述超导线圈进行电磁热耦合计算，得到所述超导线圈上的第一交流损耗热功率分布和所述冷却结构上的涡流损耗热功率分布，并根据所述第一交流损耗热功率分布和所述涡流损耗热功率分布确定所述热传导结构的目标尺寸之后，所述方法还包括：
基于所述目标尺寸确定所述冷却结构的涡流热源分布与所述超导磁铁的磁场分布；
将所述磁场分布与所述涡流热源分布导出为三维坐标的表格数据；
根据所述磁场分布所对应的表格数据计算所述超导线圈上第二交流损耗热功率分布；
将所述冷却结构的涡流热源分布和所述超导线圈上的第二交流损耗热功率分布所对应的数据以表格形式导入Ansys热分析模块，并作为热载荷；
将所述涡流热源分布作为载荷条件进行热场和流场的耦合传热分析。
7.根据权利要求3所述的超导磁铁冷却结构的热仿真方法，其特征在于，所述根据所述超导线圈确定冷却结构中的冷却管的初始尺寸，并对流经所述初始尺寸下的所述冷却管中冷却液进行仿真，确定所述冷却管的目标尺寸，包括：
基于初始尺寸下对所述冷却管进行三维建模，并根据三维建模确定所述冷却管中的流体域；
对所述冷却管和所述流体域进行网格划分，并剖分边界层网格；
获取冷却液的物性参数，基于网格划分后的冷却管、所述流体域，以及边界层网络，根据所述物性参数对所述冷却管中的冷却液的流动进行仿真；
获取所述冷却液的边界条件和初始条件，根据所述边界条件、所述初始条件和仿真的所述冷却液检测所述冷却液的压降是否符合所述设计要求；
根据所述冷却液的压降符合所述设计要求时的尺寸确定所述冷却管的目标尺寸。
8.一种超导磁铁冷却结构的热仿真装置，其特征在于，所述超导磁铁包括超导线圈和冷却结构，所述超导线圈包括两个重叠设置的线圈，所述冷却结构设置于两个线圈之间，并分别与两个所述线圈接触，所述冷却结构包括冷却管和热传导结构；所述装置包括：
第一确定模块，配置为根据设计要求确定所述超导线圈和所述冷却结构的目标尺寸；
建模模块，配置为对确定目标尺寸的所述超导线圈和所述冷却结构进行几何建模，基于预设的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，并根据所述热仿真的结果确定至少一个特征位置；
热仿真模块，配置为通过不同的接触热阻值对所述冷却结构进行热仿真，监测热仿真过程中所述特征位置处的仿真温度；
冷却仿真实验模块，配置为对几何建模的所述冷却结构进行冷却仿真实验，监测所述特征位置处的实验温度，根据所述实验温度和所述仿真温度确定接触热阻值范围；
热仿真分析模块，配置为基于所述接触热阻值范围对所述冷却结构进行热仿真分析。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述超导磁铁冷却结构的热仿真方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述超导磁铁冷却结构的热仿真方法。
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