超導(dǎo)材料及其電磁結(jié)構(gòu)中若干電-磁-力基本特性的定量研究.pdf

1、超導(dǎo)體電磁和力學(xué)特征研究是推進(jìn)超導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵課題，弄清超導(dǎo)結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)分布及其演化規(guī)律、交流損耗和力學(xué)行為才能深入理解它的性能表現(xiàn)，保證超導(dǎo)設(shè)備安全穩(wěn)定地工作。針對(duì)超導(dǎo)體中普遍存在應(yīng)變和缺陷的實(shí)際情況以及大型超導(dǎo)結(jié)構(gòu)研發(fā)中的迫切需求，本文發(fā)展了一系列數(shù)值模型對(duì)若干典型超導(dǎo)材料和結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的電磁及力學(xué)特征開(kāi)展了定量研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴結(jié)合Maxwell方程和高度非線性的超導(dǎo)EJ電磁本構(gòu)關(guān)系，基于有限差分和伽遼金有限

2、元理論建立了在液氮溫區(qū)條件下具有普適意義的求解高溫超導(dǎo)體時(shí)變電磁場(chǎng)一維問(wèn)題、二維問(wèn)題以及二維軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法與程序的正確性。作為特殊情形，也將熱傳導(dǎo)方程引入一維問(wèn)題控制方程用以驗(yàn)證磁熱耦合作用的影響。在此基礎(chǔ)上，數(shù)值調(diào)查了交變外磁場(chǎng)或交變電流情形下應(yīng)變和缺陷對(duì)典型高溫超導(dǎo)材料諸如超導(dǎo)板、超導(dǎo)圓線及矩形超導(dǎo)塊電磁行為和交流損耗的影響，給出了電磁場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。模擬結(jié)果表明：磁場(chǎng)能否完全穿透超導(dǎo)體是決

3、定其交流損耗應(yīng)變依賴(lài)規(guī)律的關(guān)鍵因素；缺陷位置變化對(duì)超導(dǎo)體交流損耗的影響規(guī)律在外場(chǎng)和自場(chǎng)情形各不相同；采用修正的E?J冪次律關(guān)系對(duì)準(zhǔn)確模擬縫隙尖端電流密度局部提升效應(yīng)是必要的。⑵提出各向異性塊狀模型采用已建立的二維軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題數(shù)值算法研究了REBCO高溫超導(dǎo)高場(chǎng)線圈的電磁場(chǎng)特征和交流損耗。通過(guò)定量分析證實(shí)了磁屏蔽效應(yīng)是REBCO高場(chǎng)線圈電磁計(jì)算中不可忽略的關(guān)鍵要素。詳細(xì)調(diào)查了線圈交流損耗特征，包括交流損耗在線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間分布特征以及一些關(guān)

4、鍵參量(臨界電流、n值和電流加載速率)對(duì)交流損耗的影響規(guī)律，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。通過(guò)定量計(jì)算對(duì)現(xiàn)有的一些線圈交流損耗解析估算方法的有效性進(jìn)行了分析評(píng)述。此外，還利用所建立的電磁模型考察了線圈中心磁場(chǎng)性能，并針對(duì)中心磁場(chǎng)的漂移和偏差現(xiàn)象提出了優(yōu)化方案。⑶針對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆CICC超導(dǎo)電纜受橫向載荷作用的問(wèn)題，提出了一個(gè)等效結(jié)構(gòu)力學(xué)模型定量調(diào)查了電纜橫截面內(nèi)的二維力學(xué)特征。通過(guò)比較電纜橫向機(jī)械壓縮位移-力曲線的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型