(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210589342.6 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 杨志星　任丽　徐颖　段璞　 郭树强　李鑫　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 胡秋萍 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 基于有限元的超导线圈整体过流失超仿真 建模方法和系统 (57)摘要 本发明公开了基于有限元的超导线圈整体 过流失超仿真建模方法和系统， 属于超导电工学 建模领域。 包括： 构建超导线圈的几何模 型， 为各 层添加物理属性函数； 建立冷却介质的几何模 型， 添加物理属性函数； 将超导线圈模型作为热 源， 将超导线圈与冷却介质交界处设为热通量边 界， 通过H方程， 对超导线圈电磁场进行建模； 将 热源当前产生焦耳热下计算出的温度用于计算 电磁场的电流密度； 获取在新电流密度下磁场强 度； 获取新磁场强度下电流密度， 将其用于计算 并更新热源产生的焦耳热； 通过逐点约束添加电 磁场的边界条件， 求解待仿真超导线圈多物理场 耦合失超计算模型， 得到各物理场分布。 本发明 能够更加实际反映超导线圈的失超情况， 仿真准 确度比较高。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 114999595 A 2022.09.02 CN 114999595 A 1.一种基于有限元的超导线圈整体过流失超仿真 建模方法， 其特 征在于， 该 方法包括： S1.获取待仿真超导线圈各层几何结构参数， 采用二维轴对称方式， 构建超导线圈的几 何模型； 获取待仿真超导线圈各层材 料， 为各层添加对应材 料随温度变化的物理属性 函数； S2.建立待仿真超导线圈所处冷却介质的几何模型， 从而模拟无限区域； 获取所述冷却 介质的材 料， 为其添加随温度变化的物理属性 函数； S3.温度场建模： 将建立的超导线圈模型整体作为热源， 将超导线圈与冷却介质交界处 设置为热通量边界， 所述热通量的类型为对流热通量； 电磁场建模： 通过H方程， 对超导线圈 的电磁场进行建模； S4.多物理场耦合： 将热源当前产生焦耳热下计算出的温度用于计算电磁场的电流密 度； 获取在新电流密度下电磁场的磁场强度； 获取新磁场强度下电磁场的电流密度， 将其用 于计算并更新热源产生的焦耳 热； S5.通过逐点约束添加电磁场的边界条件， 所述逐点约束施加的电流峰值不低于超导 线圈的临界电流， 以保证达 到过流失超； S6.求解待仿真超导线圈多物理场耦合失超计算模型， 得到各物理场分布。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S1中， 获取待仿真超导线圈超导层、 基底 层和稳定层的几何结构参数， 分别对各层进行建模。 3.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 通过插值拟合方式获得各种材料随温度变化 的物理属性 函数。 4.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S4中， 临界电流密度的电磁热耦合公式 为： 其中， Jc表示临界电流密度， B表示磁感应强度， T表示温度， Jc0表示超导带材的自场临 界电流密度， Br表示沿超导线圈半径方向的磁感应强度， Bz表示沿超导线圈高度方向的磁 感应强度； k、 B0、 α为根据超导带材对不同磁场影响拟合出来的特征参数， 用来拟合实测的 超导带材临界电流曲线； Tc表示超导临界温度， K表示热力学温度单位， 开尔文。 5.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 步骤S5中， 对每匝线圈设置为同一逐点约束。 6.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S6中， 在求解前， 对超导带材各层采用映 射的方式剖分， 对外 部低温冷却介质域采用自由三角形网格剖分。 7.一种基于有限元的超导线 圈整体过流失超仿真建模系统， 其特征在于， 包括： 计算机 可读存储介质和处 理器； 所述计算机可读存 储介质用于存 储可执行指令； 所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令， 执行权利要求1 至6任一项所述的基于有限元的超导线圈整体过流失超仿真 建模方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114999595 A 2基于有限元的超导线圈整体过流失超 仿真建模方 法和系统 技术领域 [0001]本发明属于超导电工学建模领域， 更具体地， 涉及基于有限元的超导线圈整体过 流失超仿真 建模方法和系统。 背景技术 [0002]超导带材因其高临界温度和强磁场下优异的载流能力， 广泛应用于超导储能磁 体、 限流器、 电缆等超导工程领域。 然而， 在实际运行中， 由于过流过程、 局部热干扰等因素， 在超导带材中可能会出现失超现象。 层状结构超导带材失超传播速度较低， 缓慢的失超传 播速度可能导致检测信号和失超保护的时间延迟， 并进一步引起局部热积累。 因此， 超导带 材的临界电流密度将会严重降低。 另一方面， 失超的传播通常伴随着应力应变， 失超过程中 的局部温升会产生巨大的热应力， 通常是导致某些超导电力系统失效的主要原因。 因此， 深 入研究超导线圈的失超特性对于确保超导电工设备应用的可靠性具有重要意 义。 [0003]目前仿真模型多为探究局部热点导致失超的线圈自我保护过程， 对超导线圈整体 过流时电磁热行为研究很少 。 传统的超导线圈均质化建模或者超导带材等效复合建模， 无 法对超导带材各层进 行精细化建模， 无法模拟超导线圈过流 失超过程中超导带材各层分流 情况。 此外， 超导线圈失超过程中电磁热多场耦合变化是非常复杂的非线性微分方程求解 问题， 无法直接通过求解微分方程得到准确 解。 因此需要一种准确的多物理场耦合条件下 对超导线圈整体过流研究分析的有限元计算模型。 发明内容 [0004]针对现有技术的缺陷和改进需求， 本发明提供了基于有限元的超导线圈整体过流 失超仿真建模方法和系统， 其 目的在于在建模过程中考虑电磁热多场耦合， 将超导线圈进 行精细化建模， 在模型中包含了各种 材料的随温度变化的物理属 性， 因而在超导线圈过流 失超仿真中， 能够更加实际反映超导线圈的失超情况， 仿真准确度比较高。 [0005]为实现上述目的， 按照本发明的第一方面， 提供了一种基于有限元的超导线圈整 体过流失超仿真 建模方法， 该 方法包括： [0006]S1.获取待仿真超导线圈各层几何结构参数， 采用二维轴对称方式， 构建超导线圈 的几何模型； 获取待仿真超导线圈各层材料， 为各层添加对应材料随温度变化的物理属 性 函数； [0007]S2.建立待仿真超导线圈所处冷却介质的几何模型， 从而模拟无限区域； 获取所述 冷却介质的材 料， 为其添加随温度变化的物理属性 函数； [0008]S3.温度场建模： 将建立的超导线圈模型整体作为热源， 将超导线圈与冷却介质交 界处设置为热通量边界， 所述热通量的类型为对流热通量； 电磁场建模： 通过H方程， 对超导 线圈的电磁场进行建模； [0009]S4.多物理场耦合： 将热源当前产生焦耳热下计算出的温度用于计算电磁场的电 流密度； 获取在新电流密度下电磁场的磁场强度； 获取新磁场强度下电磁场的电流密度， 将说　明　书 1/5 页 3 CN 114999595 A 3