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

Edgar Berrospe-Juarez, Víctor M. R. Zermeño+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 11

一句话总结

本文提出了一种计算高效的框架，通过将多尺度和均质化技术与T-A公式相结合，实现实时模拟大规模高温超导（HTS）系统。该方法大幅减少了内存占用和计算时间，使得在标准个人计算机上，于实际缓慢升流条件下，能够实现实时模拟HTS带材中的电流密度和磁滞损耗。

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.

研究动机与目标

• 解决使用传统有限元方法模拟大规模HTS系统时计算成本过高的问题。
• 实现在标准个人计算机上对HTS系统电磁行为的实时模拟。
• 将多尺度和均质化方法与T-A公式相结合，以提高计算效率。
• 准确计算超导带材中的电流密度分布和磁滞损耗。
• 支持HTS器件中涉及缓慢升流循环的实际工程应用。

提出的方法

• 将T-A公式适配用于使用磁矢势A和标量势T建模超导体中的电磁场。
• 应用均质化技术，将HTS带材的层状结构表示为等效各向异性材料。
• 实施多尺度建模，以在不使用全尺寸网格分辨率的情况下解析细观特征。
• 使用与T-A公式兼容的高效数值求解器，以降低计算负载。
• 将均质化与多尺度方法耦合，以在最小化内存和时间需求的同时保持精度。
• 模拟缓慢升流电流循环，以评估实时可行性的实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 T-A公式能否与均质化和多尺度建模有效结合，实现实时模拟大规模HTS系统？
• RQ2 与标准H-公式有限元法相比，采用这些改进方法后计算成本降低了多少？
• RQ3 在缓慢升流条件下，电流密度分布和磁滞损耗的预测精度能达到多高？
• RQ4 使用该框架是否可在标准个人计算机上实现实时模拟大规模HTS系统？
• RQ5 均质化多尺度模型在降低复杂性的同时，如何保持物理准确性？

主要发现

• 所提出的方法显著降低了内存占用和计算时间，使得在个人计算机上实现实时模拟大规模HTS系统成为可能。
• 在缓慢升流循环下，磁滞损耗和电流密度分布均被准确捕捉。
• 均质化多尺度模型在显著简化计算域的同时保持了物理保真度。
• 当与这些改进方法结合时，T-A公式提供了一个稳定且高效的数值框架。
• 该方法在计算效率与精度之间实现了平衡，适用于实际工程应用。
• 该框架支持了以往因计算限制而无法实现的系统仿真。