近日,我公司与清华大学通力合作在超导体磁通运动算法领域取得重大进展。 公司发展部赖凌峰博士提出了一种用于大型YBCO线圈/堆叠仿真的递推计算方法。计算表明,对2000匝线圈模型,在相同网格划分条件下,利用该方法比目前已知最快的T-A方法计算速度提升300%左右,计算时间从原来的2.56小时每状态点,压缩至0.58小时。由于该模型使用电流密度J作为变量,因此将方法命名为J模型。J模型采用Python语言编程,实现全参数化流程控制,无版权困扰,非常适合研究生快速入门,也非常适合成果继承发展。 该算法的实现为大型超导装备电磁性仿真提供了有力的计算工具。经开发团队一致同意,用于磁体计算的Python源程序经过注释后向国内外免费开放,也欢迎感兴趣的同学改写成Matlab语言或者其他语言,我们将对改写同学给予奖励。


1. 计算时间对照表



 1. 2000匝的YBCO超导堆叠仿真结果图。(a)电流密度分布(b)磁场分布 


该研究成果以“AC loss calculation in REBCO coils or stacks by solving the equation of motion for current using an integration approach”为题发表在超导技术领域最具影响力的Superconductor Science and Technology期刊上。原力超导公司赖凌峰博士为文章第一作者,清华大学物理系顾晨老师为文章通讯作者。该研究工作部分得到基金委面上项目、中科院战略先导研究项目资助。

J模型本质上利用超导单元间的格林函数计算穿透过程,这种方法最早由德国马普所已故物理学家E.H.Brandt教授在上世纪90年代提出。但被发现计算效率随着单元数目增加急剧下降,所以30多年以来该算法并未在解决实际对象模型中得到应用。新的J模型引入电场强度E作为中间变量,并巧妙的利用卷积降维后的单元矩阵进行线性变换降低计算消耗,之后将超导材料中的电流密度分布矩阵进行时间递推,进而得到线圈/堆叠中的电流、磁场分布以及交流损耗值。计算表明该方法具有极强的速度优势和可接受的内存需求。

高温超导体中磁通运动会导致超导材料中的热耗散并增加不稳定性。在电力工业中,磁通运动表现为交流损耗,导致超导器件的不稳定性增加;而在高能物理研究中,磁通运动表现为扭曲磁场均匀性的屏蔽电流效应。到目前为止,对复杂环境中磁通运动的研究主要依赖于数值模拟方法。在过去的几十年中,学者们相继提出了T-Ω、A-V、H、MMEV,RAA,T-A等模型。在这些方法中,由于可以使用商用软件包,有限元分析(FEA)变得越来越流行。然而,从计算效率的角度来看,有限元方法往往不是最优的,因为计算模型中不仅要包括超导体区域,而且还要考虑到超导体外的空气区域。而且最重要的是,由于非线性的E-J幂函数关系,有限元方法必须使用迭代算法。J模型避免了空气建模,也没有迭代过程,计算效率得到大幅提升。

同时我公司创造性的基于HTML5构架,利用JavaScript语言改写了该算法,使其可以运行在网页端,为大规模教学应用提供了可行。

2. 运行在网页端的J模型


以上成果是我公司立足超导,着眼未来,深耕基础,拓展应用、一方面攻坚克难,一方面培养后备人才战略的具体体现。

如有进一步需求,请联系赖凌峰(微信:han3do)

下载地址:http://www.eastfs.com/fz09

文章链接为:https://doi.org/10.1088/1361-6668/abc567

原力超导教学事业部与清华大学实验物理教学中心开展学术交流

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超导体磁通穿透算法取得重大进展