【摘要】：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等離子體穩(wěn)定流動的關鍵因素。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計和研究已成為目前國際應用超導領域的熱點研究之一,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產生的交流損耗。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。計算結果顯示:接觸電阻對超導股線內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變通過超導體的非線性電磁本構關系代入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生的交流損耗,討論了應變、電磁本構關系中的指數(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。該模型中,金屬基體的電磁本構關系遵循歐姆定律,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。結果顯示:金屬基體的塑性變形和超導纖絲的幾何構型對超導股線的應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用下超導股線性能退化的情形。結果顯示:洛倫茲力會使股線的輸運性能退化更明顯。最后,本文通過建立高溫超導電纜的三維有限元模型,對其力-電-熱耦合行為進行了研究。通過計算得到了其電流,磁場,熱通量,溫度和應力的分布特征。還計算了電纜內部的超導帶材的I-V特征曲線,計算結果與實驗吻合較好。結果顯示:對電纜進行冷卻可以明顯降低電纜內部的溫度和應力;電流在超導帶材里面的分布是不均勻的;通過優(yōu)化超導帶材的數(shù)量可以提升電纜的載流能力;選擇合適的金屬基體可以降低電纜內部的應力水平。綜上所述,本文對低溫超導股線的輸運機制進行了較為系統(tǒng)的研究,為預測超導磁體的性能退化提供了理論依據(jù)。通過建立超導磁體多場耦合行為分析的理論模型,對高溫超導電纜力-電-熱耦合行為進行了研究,為超導電纜的優(yōu)化和設計提供了建議和參考。
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【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O511.3;TL631.24
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本文編號：2341456