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。針對超導(dǎo)體中普遍存在應(yīng)變和缺陷的實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)體時變電磁場一維問題、二維問題以及二維軸對稱問題的數(shù)值計算方法，并通過實驗結(jié)果驗證了算法與程序的正確性。作為特殊情形，也將熱傳導(dǎo)方程引入一維問題控制方程用以驗證磁熱耦合作用的影響。在此基礎(chǔ)上，數(shù)值調(diào)查了交變外磁場或交變電流情形下應(yīng)變和缺陷對典型高溫超導(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，給出了電磁場分布的動態(tài)演化過程。模擬結(jié)果表明：磁場能否完全穿透超導(dǎo)體是決

3、定其交流損耗應(yīng)變依賴規(guī)律的關(guān)鍵因素；缺陷位置變化對超導(dǎo)體交流損耗的影響規(guī)律在外場和自場情形各不相同；采用修正的E?J冪次律關(guān)系對準(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稱問題數(shù)值算法研究了REBCO高溫超導(dǎo)高場線圈的電磁場特征和交流損耗。通過定量分析證實了磁屏蔽效應(yīng)是REBCO高場線圈電磁計算中不可忽略的關(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)對交流損耗的影響規(guī)律，并進(jìn)行了實驗比較。通過定量計算對現(xiàn)有的一些線圈交流損耗解析估算方法的有效性進(jìn)行了分析評述。此外，還利用所建立的電磁模型考察了線圈中心磁場性能，并針對中心磁場的漂移和偏差現(xiàn)象提出了優(yōu)化方案。⑶針對國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆CICC超導(dǎo)電纜受橫向載荷作用的問題，提出了一個等效結(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。通過比較電纜橫向機械壓縮位移-力曲線的模擬與實驗結(jié)果驗證了模型