超導股線輸運機制及高溫超導電纜力-電-熱性能研究.pdf

1、分類號：分類號：密級：密級：公開公開研究生學位論文論文題目（中文）論文題目（中文）超導超導股線輸運機制股線輸運機制及高溫超導高溫超導電纜電纜力電熱性能性能研究研究論文題目（外文）論文題目（外文）StudiesonthetransptmechanismofsuperconductingstrmechanicalelectrothermalperfmanceofHTSCICC研究生姓名研究生姓名他吳睿他吳睿學科、專業(yè)學科、專業(yè)力學力學固體力

2、學固體力學研究方向研究方向電磁固體力學電磁固體力學與智能結(jié)構(gòu)與智能結(jié)構(gòu)學位級別學位級別博士導師姓名、職稱導師姓名、職稱高原文高原文教授教授論文工作論文工作起止年月起止年月2013年9月至2016年6月論文提交日期論文提交日期2016年6月論文答辯日期論文答辯日期2016年6月學位授予日期學位授予日期2016年6月校址：甘肅省蘭州市校址：甘肅省蘭州市I超導超導股線輸運機制及股線輸運機制及高溫超導高溫超導電纜的電纜的力電熱性能性能研究研究摘

3、要超導磁體系統(tǒng)是國際熱核聚變實驗堆中托克馬克裝置的重要組成部分。超導磁體性能（臨界電流、臨界溫度等）的優(yōu)劣是影響磁體系統(tǒng)的安全運行和托卡馬克裝置內(nèi)等離子體穩(wěn)定流動的關(guān)鍵因素。在實際工況下（極低溫，高電流，強磁場），超導磁體受到強電磁力，熱載荷以及超流體（液氦）的作用而發(fā)生變形，振蕩和擠壓，導致其超導性能發(fā)生明顯的退化。本學位論文通過對超導股線的電流流動模式、應(yīng)變依賴性、電流的退化和力電耦合性能的研究以期對超導股線的輸運機制和輸運性能退化

4、機理提供合理解釋。此外，具有極高超導電性的高溫超導電纜的設(shè)計和研究已成為目前國際應(yīng)用超導領(lǐng)域的熱點研究之一，本論文將對高溫超導電纜的力電熱特征展開建模與仿真，以期對電纜的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐和參考。首先，基于接觸電阻和有效電阻模型，本文建立了多絲復合超導股線的三維有限元模型。分析了電流在超導股線中的橫向和縱向流動特征，并計算了超導股線處在交流磁場內(nèi)產(chǎn)生的交流損耗。討論了外部磁場幅值和超導絲絞扭長度對交流損耗的影響。計算結(jié)果顯示:接觸電阻

5、對超導股線內(nèi)部電流的流動具有明顯的作用；交流損耗隨磁場幅值和絞扭長度的增加而增加。其次，將超導股線的軸向應(yīng)變通過超導體的非線性電磁本構(gòu)關(guān)系代入Maxwell方程，建立了適用于強電流，高磁場工作環(huán)境下的超導股線的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)輸運模型。對所提出的計算模型分別采用攝動法，有限元法進行了求解，得出了在應(yīng)變作用下超導股線的電磁分布特征，計算了超導股線輸運交流電時產(chǎn)生的交流損耗，討論了應(yīng)變、電磁本構(gòu)關(guān)系中的指數(shù)n以及交流電幅值對輸運電流及交流損耗的影

6、響。再次，本文對超導股線的力電耦合特性展開了更進一步的研究。將超導股線的金屬基體和超導纖絲分別考慮為彈塑性材料和脆性材料，計算了超導股線在拉伸和彎曲作用下的力學響應(yīng)。該模型中，金屬基體的電磁本構(gòu)關(guān)系遵循歐姆定律，而超導纖絲遵循指數(shù)律。通過國際熱核聚變實驗堆中使用的定標率將應(yīng)變分布代入磁場控制方程，計算了超導股線電磁分布特征。結(jié)果顯示：金屬基體的塑性變形和超導纖絲的幾何構(gòu)型對超導股線的應(yīng)變和電流分布有顯著影響。還討論了洛倫茲力和拉力共同作