[논문 리뷰] Real-time simulation of large-scale HTS systems: multi-scale and homogeneous models using T-A formulation

Edgar Berrospe-Juarez, Víctor M. R. Zermeño외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 22.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 T-A 형식과 다중 척도 및 균질화 기법을 조합하여 실시간 대규모 고온 초전도체(HTS) 시스템 시뮬레이션을 위한 계산적으로 효율적인 프레임워크를 제시한다. 이 방법은 메모리와 계산 시간을 크게 줄여, 일반적인 개인용 컴퓨터에서 실용적인 느린 래핑 조건 하에서 HTS 테이프의 전류 밀도 및 히스테리시스 손실을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있게 한다.

ABSTRACT

The emergence of second-generation high temperature superconducting tapes has favored the development of large-scale superconductor systems. The mathematical models capable of estimating electromagnetic quantities in superconductors have evolved from simple analytical models to complex numerical models. The available analytical models are limited to the analysis of single wires or infinite arrays that, in general, do not represent real devices in real applications. The numerical models based on finite element method using the H formulation of the Maxwells equations are useful for the analysis of medium-size systems, but their application in large-scale systems is problematic due to the excessive computational cost in terms of memory and computation time. Then it is necessary to devise new strategies to make the computation more efficient. The homogenization and the multi-scale methods have successfully simplified the description of the systems allowing the study of large-scale systems. Also, efficient calculations have been achieved using the T-A formulation. In the present work, we propose a series of adaptations to the multi-scale and homogenization methods so that they can be efficiently used in conjunction with the T-A formulation to compute the distribution of current density and hysteresis losses in the superconducting layer of superconducting tapes. The computation time and the amount of memory are substantially reduced up to a point that it is possible to achieve real-time simulations of HTS large-scale systems under slow ramping cycles of practical importance on personal computers.

연구 동기 및 목표

• 기존 유한요소법을 사용한 대규모 HTS 시스템 시뮬레이션의 높은 계산 비용을 해결하기 위해.
• 일반적인 개인용 컴퓨터에서 HTS 시스템의 전자기적 거동을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 다중 척도 및 균질화 방법을 T-A 형식과 통합하여 효율성을 향상시키기 위해.
• 초전도 테이프의 전류 밀도 분포 및 히스테리시스 손실을 정확하게 계산하기 위해.
• HTS 장치에서의 느린 래핑 사이클을 포함한 실용적인 엔지니어링 응용을 지원하기 위해.

제안 방법

• 자기 벡터 포텐셜 A와 스칼라 포텐셜 T를 사용하여 초전도체 내 전자기장을 모델링하기 위해 T-A 형식을 적응적으로 적용.
• HTS 테이프의 다층 구조를 등가의 이방성 재료로 표현하기 위해 균질화 기법을 적용.
• 완전한 메esh 해상도 없이도 미세 구조적 특징을 해결하기 위해 다중 척도 모델링을 구현.
• T-A 형식과 호환되는 효율적인 수치 해법기법을 사용하여 계산 부담을 감소.
• 균질화 및 다중 척도 접근법을 결합하여 정확성을 유지하면서도 메모리와 시간 요구량을 최소화.
• 실시간 가능성 평가를 위해 느린 래핑 전류 사이클을 시뮬레이션.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T-A 형식이 균질화 및 다중 척도 모델링과 효과적으로 조합되어 대규모 HTS 시스템을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 기존 H-형식 유한요소법(FEM)에 비해 이 적응된 방법을 사용할 경우 계산 비용은 얼마나 감소하는가?
• RQ3 느린 래핑 조건 하에서 전류 밀도 분포 및 히스테리시스 손실을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 이 프레임워크를 사용하여 일반적인 개인용 컴퓨터에서 대규모 HTS 시스템의 실시간 시뮬레이션은 가능한가?
• RQ5 균질화된 다중 척도 모델은 복잡성을 줄이면서도 물리적 정확성을 어떻게 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 일반적인 개인용 컴퓨터에서 대규모 HTS 시스템의 실시간 시뮬레이션을 가능하게 할 정도로 메모리와 계산 시간을 충분히 감소시킨다.
• 느린 래핑 사이클 조건 하에서 히스테리시스 손실과 전류 밀도 분포가 정확하게 캡처된다.
• 균질화된 다중 척도 모델은 물리적 정밀도를 유지하면서도 계산 도메인을 크게 단순화시킨다.
• T-A 형식이 이러한 적응 기법과 결합될 경우 안정적이고 효율적인 수치적 프레임워크를 제공한다.
• 실용적인 엔지니어링 응용에 적합한 계산 효율성과 정확성의 균형을 달성한다.
• 이전에는 계산 제약으로 인해 불가능했던 시스템의 시뮬레이션을 지원한다.