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3D finite‐element modeling for the magnetization of bulk high‐Tc drilled superconductors

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

A.w = 0

3D finite‐element modeling for the magnetization of 

bulk high‐Tc drilled superconductors

Gregory P. Lousberg, M. Ausloos, Ch. Geuzaine, P. Dular, and B. Vanderheyden SUPRATECS Research Centre, Montefiore Institute (B28), University of Liège, B‐4000, Liège, Belgium

Introduction

HTS are modeled by a non‐linear resistivity

For HTS : n ≈ 20

Bean model : n → ∞ analytical calculations        are available on specific  geometries for comparison with numerical results

Finite‐element method (FEM) is widely used for solving HTS‐based 

systems

Many geometries can be treatedNo extensive writing of numerical codes is required Treatment of non‐linear problems available in most commercial packages

Advantages

Drawbacks

Long calculation time on fine meshing or in 3D geometryConvergence problems when n is large

Proposed improvements

Single time step method implemented in an open‐source solver, GetDP

Better control of the algorithm parametersUsed for simulating the penetration of an external magnetic field that varies  linearly with time

1. FEM A‐φ

formulation

E = ‐ dA/dt – dA

a

/dt – grad

φ

Magnetic flux density  induced by the HTS Applied magnetic flux density  (uniform)

B = B

react

+ B

a

= curl A + curl A

a

The Maxwell equations are solved for two independent

variables

the vector potential A

the scalar potential

φ

A is approximated by a series of edge functions A

i

(ensures the continuity of the tangential  component of A)

φ is approximated by a series of node functions φ

i (ensures the continuity of φ) Ampere’s law (rot H = J) Continuity equations (div J = 0)

The Maxwell equations reduce to

where       is derived from the non‐linear E‐J relationhisp

2. Gauge conditions

3. Boundary Conditions

4. Numerical scheme

(not a Coulomb gauge) Set of meshing edges that connects all the nodes  without closed contours Dirichlet conditions Working domain Outer surface  sent to infinity → ∞ ∞ ← ∞ ← •Use of Jacobian transformation for sending the outer surface of a  spherical shell to infinity

Source field Aacorresponds to a uniform magnetic flux density . The 

source field Bais a temporal ramp with a constant sweep rate (mT/s)

Implicit time‐resolution and non‐linear Picard iteration

The equations are solved with a Galerkin residual minimization methodWe use the Backward Euler method at each time step

Non‐linear terms are treated with a Picard iteration loop

Solution (A,φ) @ t – Δt

Update of σ (A,φ) Solution of implicit linear systems with GMRES

If convergence criteria satisfied Solution (A,φ) @ t 

E(J) = E

c

³

J Jc

´

n

(2)

Acknowledgments

This work has been funded in part by the Belgian Fonds de la Recherche Scientifique (FRS – FNRS).

5. Comparison with Bean model for a HTS tube with an infinite extension

Air Ba HTS tube Scan direction Air

Magnetic flux penetration

Superconductor walls -10 -5 0 5 10 0 50 100 150 200 Magnetic flux density (mT) Radial distance (mm) For solving the problem with Ba= 200 mT with a sweep rate of 10 mT/s:  1. 20 time steps of 1s

Choice of the time step

Ba t 0 mT 200 mT System is solved @ t =1s, 2s, …, 20s FEM simulations with n=100  are consistent with Bean  model  Ba t 0 mT 200 mT System is solved @ t =20s Single time step method

Comparison of single/multiple time steps methods

1. in a single simulation with 20 time steps of 1s      2. in 20 single time step simulations with a time step of respectively 1s, 2s, …, 20s 

Magnetic field penetration of an external field increasing from 0 mT to 200 mT 0 50 100 150 200 0 1 2 3 4 5 Average deviation from the Bean model (mT)

Applied magnetic flux density (mT) Single time step

Time step = 1s

Analysis of the deviation from the Bean model

Calculation time 

Single time step method produces more accurate results

in a shorter calculation time

5. Comparison with Brandt’s method [1,2] for a HTS tube of finite extension

n = 100 Ba= 0 – 200 mT (10 mT/s) Single time step method 3D geometry

Simulation parameters

0 50 100 150 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Magnetic flux density in the center of the tube (mT)

Applied magnetic flux density (mT)

20 FEM simulations with single time step method Brandt method [1]  multiple step method  (Δt=5.10‐4s)

Accuracy of the single time step method with 

smaller n values 

•Applied magnetic flux density : 200 mT with different  sweep rates (1mTs, 10 mT/s and 100 mT/s) 10 100 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 1 mT/s 10 mT/s

Difference between FEM-single step and Brandt's method for the magnetic flux density @ center of the tube

Critical exponent n 100 mT/s Bcenter,Brandt– Bcenter,FEM Bcenter,Brandt

Single time step 

method is valid

for n ≥ 20

6. Magnetization of drilled HTS cylinders

Cylinders of infinite height

-10 -5 0 5 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Polar Triangular Polar Squared Squared Centered rectangular M a g neti c flux dens ity (mT )

Distance along the diameter (mm) Trapped flux without holes

n = 25

Ba= 0 → 200 mT in one time step and Ba= 200 → 0 mT in another

time step (two time steps method)

2D (infinite height) or 3D (finite height) geometry

Simulation parameters

Trapped flux profile

Cylinders of finite height

Squared Polar Triang

Maximum trapped flux increases by 

Assuming the same Jcin both configurations [1] Brandt E H 1998 Phys. Rev. B 58 6506 [2] Denis S et al. 2007 Supercond. Sci. Technol. 20 192 Bmax Top cross‐section 1 simulation with 20 time steps         2 days 3/4 20 single time step simulations         3 hours 2. 1 time step of 20s Bmax Center cross‐section Squared lattice Polar squared lattice Centered rectangular  lattice Polar triangular lattice Squared lattice Polar squared lattice Centered rectangular  lattice Polar triangular  lattice Scan direction Scan direction 40 60 80 100 Ma x imu m ma g n e tic f lu x d e n s ity ( m T) R|BF EM−BBean| S dS Squared Polar  squared Centered  rect. Polar  triang 30 40 50 60 70 80 90 100 110 M a xi m u m m agnet ic f lux dens it y ( m T) Squared Polar  squared Centered  rect. Polar  triang

~25 % 

(center)

~30 % 

(top)

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