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高温超导线圈的热稳定性及力学行为的定量研究

 
【摘要】:由于极为特殊的电磁特性,高温超导材料在高场磁体应用领域具有显著的优越性。在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030)》中,所涉及的多项前沿研究均依赖于高磁场的实现。所以这项技术的成功对国家先进科学技术的推动有着重要的意义,具体体现在磁约束核聚变反应堆、核磁共振、高能粒子加速器及基础研究等领域的发展。然而,长期以来高场超导磁体的发展面临着两个关键的问题:一是由于高温超导体缓慢的失超传播速度,磁体内的高温超导线圈的失超检测和保护是异常困难的,这严重降低了磁体的热稳定性。二是在高场下高温超导线圈不仅承受巨大的电磁应力,而且也可能存在热扰动诱发的较大的热应力,这都将加剧磁体机械损坏的风险。因此,研究高场超导磁体内部高温超导线圈的热稳定性和力学行为是确保这项高场技术成功的基础。本论文从磁体所处的真实工况出发,拓展和建立了高温超导线圈的多场耦合模型并研究了其电磁热力行为的变化。首先,拓展自洽模型并研究了Bi-2212圆线的临界电流变化,将拟合参数推广到多根股线绕制的电缆,所得数值结果和实验结果吻合。在芯丝的尺度上研究了小型线圈内部的临界电流分布。结果表明在反向加载磁场时,单饼线圈的最外圈优先达到临界状态。针对大型超导线圈,为了减少计算量,提出等效模型来评估其临界电流和中心磁场。随后,采用分层加载电流的方法增加了线圈的有效利用率并提高了中心磁场。由于高温超导磁体通常内插于低温超导磁体,进一步拓展模型并评估了内部高温超导线圈的临界电流和混合磁体的中心磁场。其次,为了阐明无绝缘单饼线圈和无绝缘层缠绕线圈的热稳定性和力学行为,在考虑了接触电阻的界面产热之后,结合有限差分法和有限元法建立了多物理场耦合的失超模型。数值结果表明在热失超期间,凭借圈与圈之间较低的接触电阻,无绝缘线圈可以通过径向分流来避免局部的温升,揭示了无绝缘技术具有高热稳定性的原因。然而,在具有较高的接触电阻率时,无绝缘线圈也可能会发生二次永久的失超。当金属包裹缠绕的方法应用于层缠绕线圈时,其磁场延迟效应得以有效的缓解。由于自场条件下线圈的电磁力比较小,它的力学行为主要受到温升的影响。在不同的内边界条件下,单饼线圈的应力和应变分布会有所差异,它的环向应力的变化远大于径向应力;而在层缠绕线圈中,其环向和轴向应力的变化均比较显著。最后,针对由多个双饼线圈组成的无绝缘磁体,建立了电磁热力四场耦合的块状模型并研究了磁体充电过程中的多物理场特性。通过对比真实结构和块状模型的数值结果,验证了块状模型的合理性。在自场条件下,不论温度场选用理想冷却边界还是绝热边界,径向压缩应力均会导致磁体电流的分布发生变化,从而造成磁体的磁场延迟时间增长以及接触损耗的非均匀变化。数值结果也揭示了力电耦合特征对磁体复杂多场特性评估的重要性。在高场下,巨大的电磁力使得磁体沿着径向被拉伸,其环向应力远大于径向应力,并且位于两端的环向应力最大。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM26

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