Development of an Efficient Simulation Tool for Electromagnetic Analysis of Superconducting Strands

Abstract

Denne avhandlingen beskriver utviklingen av et simuleringsverktøy for å analysere transiente elektromagnetiske fenomener i superledende ledninger som danner spolene i høyfelts elektromagneter. Arbeidet er gjennomført i rammeverket definert av Finite Element Quench Simulator (FiQuS)-verktøyet ved CERN, og benytter elementmetoden (FEM) for å simulere den dynamiske oppførselen til disse lederne under ulike driftsforhold. Verktøyet bruker en unik todimensjonal metode som reduserer simuleringstiden betydelig sammenlignet med tradisjonelle tredimensjonale FEM-metoder, og gjør det mulig å analysere ledernes dynamikk under et bredt spekter av forhold. Simuleringsverktøyet har en modulær oppbygning, med tre hovedkomponenter: en geometrimodul, en mesh-modul og en løsningsmodul. Geometri-modulen genererer modeller av lederne basert på høynivå inngangsparametere. Mesh-modulen diskretiserer disse geometriene til finitte elementer og genererer automatisk et mesh som er egnet for simuleringer. Løsningsmodulen løser det transiente elektromagnetiske problemet ved bruk av FEM. Alle inngangsparametere er samlet i en enkel YAML-fil, som gjør verktøyet brukervennlig og tilgjengelig for forskere og ingeniører uten ekspertise innen beregningsmessig fysikk og FEM-simuleringer. Vi presenterer verktøyets design og implementering, og demonstrerer påliteligheten til verktøyet ved sammenligning med referanse FEM-modeller. Sammenligningene viser at verktøyet kan simulere den elektromagnetiske dynamikken til lederne med tilstrekkelig høy nøyaktighet, samtidig som det reduserer beregningskostnadene betydelig sammenlignet med referansemodellene. Deretter presenterer vi potensielle anvendelser av verktøyet, inkludert analyse av dynamikken til en superleder under ulike forhold og simuleringer av en spesiell type superledende ledning som ofte brukes i høyfelts MRI magneter.

This thesis presents the development of a simulation tool for analyzing small-scale transient electromagnetic phenomena in composite multifilamentary superconducting strands used in high-field magnets. Conducted within the framework of the Finite Element Quench Simulator (FiQuS) at CERN, the project leverages the finite element method to simulate the dynamic behavior of these strands across a range of operating conditions. The tool employs a special two-dimensional approach that significantly reduces computational cost compared to conventional three-dimensional finite element methods, facilitating parameter sweep studies and analysis of strand behavior under broad ranges of operating conditions. The simulation tool features a modular design, comprising three main components: a geometry module, a mesh module, and a solution module. The geometry module generates models of twisted multifilamentary strands based on high-level input parameters. The mesh module discretizes these geometries into finite elements, automatically generating meshes suitable for simulations. The solution module solves the transient electromagnetic problem using finite element analysis. All input parameters for the modules are defined in a single YAML file, making the tool easy to use and accessible to researchers and engineers without expertise in computational physics and finite element simulations. After presenting the tool’s design and implementation, we demonstrate its viability by comparison with reference finite element models. The tool is shown to be capable of accurately simulating the transient electromagnetic behavior of twisted multifilamentary strands, while significantly reducing computational cost compared to the reference models. We then illustrate the tool’s capabilities by presenting potential applications, including the analysis of strand behavior under various conditions and simulations of a special type of superconducting wire often used in high-field MRI magnets.