不同高温超导体电磁本构模型在高速磁悬浮系统中的适用性研究

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高温超导磁悬浮利用车载高温超导块材的磁通钉扎特性让车体能够稳定地悬浮在永磁轨道上方,实现悬浮导向一体化,自其诞生之日起就受到国内外的广泛关注。高温超导磁悬浮动态悬浮特性的研究是其工程应用的重要基础,但受到实验条件和手段的限制,难以对复杂的物理现象和参数间的相关关系进行大量的分析,这使得数值计算和有限元仿真成为研究高温超导块材电磁特性及悬浮应用性能的重要手段,而在高温超导磁悬浮系统计算中最关键部分便是选择合适的超导体E-J电磁本构关系。因此,为了探究不同E-J本构关系的选择对高温超导磁悬浮电磁特性数值建模和分析的影响,本论文着眼于高温超导磁悬浮的高速应用,对不同本构关系式的选择及其准确性进行了探讨。本文采用有限元软件COMSOL Multiphysics,构建了高温超导磁悬浮电磁-热-力多场耦合二维模型,并考虑液氮环境温度与超导块材之间的热流交换,可实现对高速动态运行工况的模拟。在此仿真模型基础上,基于幂指数E-J关系对是否考虑或考虑何种温度、磁场与临界电流密度影响关系时的计算结果进行了探讨,包括悬浮力、电流密度分布、温度分布等。结果表明,虽然从定性的角度来看,不同关系式都能一定程度地描述超导体的电磁特性,但是从准确性的角度看,建议同时考虑温度及磁场对临界电流密度Jc的影响,在温度变化可忽略的情况下,可以不考虑温度的影响。此外,针对永磁轨道-YBCO超导块材悬浮系统,给出了使用不同Jc(B,T)关系式时对应材料参数B0的取值范围建议。在合理选择Jc(B,T)的基础上,本文进一步对三种不同E-J电磁本构关系进行了深入探讨,包括幂指数模型(PLM)、磁通流动模型(FFM)以及磁通流动与蠕动模型(FFCM),并对其相关参数进行了讨论。结果表明,PLM和FFCM具有一致性,而FFM不能准确反映超导块材的动态特性,从计算效率看PLM表现最优。另外,本文针对Halbach永磁轨道的高温超导磁悬浮系统,进一步探索了轨道上方的超导块材在超高速动态运行工况下的动态特性,验证了高温超导磁悬浮的高速运行潜力。
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