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Full 3D MultiPhysics Model of High Field PolyHelices Magnets

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-01219066

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01219066

Submitted on 22 Oct 2015

HAL is a multi-disciplinary open access

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Full 3D MultiPhysics Model of High Field PolyHelices Magnets

Cécile Daversin, Christophe Prud’Homme, Christophe Trophime

To cite this version:

Cécile Daversin, Christophe Prud’Homme, Christophe Trophime. Full 3D MultiPhysics Model of High Field PolyHelices Magnets. International Conference on Magnet Technology, Oct 2015, Seoul, South Korea. �hal-01219066�

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Full 3D MultiPhysics Model of High Field PolyHelices Magnets

C´ecile Daversin1 Christophe Prud’homme1 Christophe Trophime2

1Institut de Recherche Math´ematique Avanc´ee, Universit´e de Strasbourg, France, 2Laboratoire National des Champs Magn´etiques Intenses, CNRS Grenoble, France

MT24 - Session ID: 2PoBF 17

Beyond 25 tesla... : Resistive high field Magnets

Long. cooled Helices Radial. Helices

up to 30 kA, up to 24 MW,

water cooled 30 m/s, pressure drop 25 bars up to 36 tesla (34 mm) Hydraulics · Navier-Stokes · Colburn correlation Electromagnetism · Maxwell

· Biot & Savart Thermics · Heat equation (Non-linear) Elasticity · Linear elasticity · Constraints Co oling Deformation Lo rentz fo rces Joules losses Dilatation Physical properties

High field magnets modeling process

Optimization (2D axi) under constraints

Find {ji} s.t            P i Bi(0, 0) ji is max P < Pmax T < Tmax rijiB(ri) < σmax

Feel++ : Finite Element Embedded Library in C++

www.feelpp.org

→ High order elements, high order meshes → Seamless parallel computing

→ Large scale parallel linear and non-linear solvers

Optimization −→ Geometry −→ Mesh

Automatic process

From longitudinally cooled helices . . .

. . . to radially cooled ones

Resistive part of future Hybrid Magnet

→ PolyHelix magnet · 14 helices

→ Material : Cu5Ag · σ0 = 52 MS

· Re ≈ 500 MPa

Temperature Temperature along X

Displacements Stress Stress along X

Numerical/Experimental Validations · Exp : Pick up coil measurements

· 2D Axi : Analytical axisymetrical calculation

· 3D : Biot & Savart 3D calculation from current density j

−200 −100 0 100 200 −0.6 −0.4 −0.2 0 z axis Bz − Bz (0) Bz (0) 3D 2D Axi Exp −150−100 −50 0 50 100 0 0.5 1 1.5 2 ·10−2 z axis Difference on Bz − Bz (0) Bz (0) 3D 2D Axi

Towards a finer analysis

Improve model efficiency Standard 14 helices insert : 6.4 · 106 tetras, 106 nodes FE computational time : 32 procs ≈ 20 min

→ Electro-thermal (8 Picard iterations) : 631 s Potential : ≈ 60 s Temperature : ≈ 18 s → Magnetostatic (2D axi) : 575 s → Elasticity (Linear) : 83 s → Yield strength : 20 s Magnetic field

Reduced Basis Method

uN(µ1) uN 3) uN(µ4) uN(µ5) uN(µ2) uN(µ)

uN(µ) ≈ uN (µ) : linear combination of FEM solutions W N = span{ξi ≡ uN (µi)}Ni =1 | {z } RB approximation space → uN(µ) = N X i =1 uiN(µ)ξi | {z } 10 6 N 6 100 Computational time gain factor ≈ 150

Parametric studies - Bitter magnet (Hybrid)

j = 65.106A.m−2 3 · 107 5 · 107 7 · 107 9 · 107 40 60 80 100

Current density (A.m−2)

Mean te mp erature (C) FE RB

Increase current density j on Bitter → Max(j) without damages ?

40 C° to 60 C° : + 1 Tesla Sensitivity Analysis - Radially cooled helix

σ0 ∈ [50.106; 50, 2.106](S .m−1) α ∈ [3, 3.10−3; 3, 5.10−3](K−1) L ∈ [2, 5.10−8; 2, 9.10−8] U ∈ [0.14; 0.15](V ) Intensity ≈ 25kA h ∈ [70000; 90000](W .m−2.K −1) Tw ∈ [293, 313](K ) Quantiles :

q(γ) such that P(Y < q(γ)) > γ 99.0 quantile = 380 K = 107 C

80.0 quantile = 377.5 K = 104.5 C

Sensitivity indices (Sobol) : — σ0 : 6.85e-05 — α : 4.54e-04 — L : 9.21e-03 — VD : 1.28e-01 — h : 2.40e-01 — Tw : 6.21e-01

Références

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