Transient Finite Element Simulation of Accelerator Magnets Using Thermal Thin Shell Approximation
Erik Schnaubelt, Andrea Vitrano, Mariusz Wozniak, Emmanuele Ravaioli, Arjan Verweij, Sebastian Schöps
超导磁体的热瞬态响应可以使用有限元(FE)方法进行模拟。 一些加速器磁铁使用电缆,其电绝缘比光秃秃的电导体要薄得多。 用高质量的网格对此类几何形状进行 FE 离散化,导致许多自由度。 这增加了计算时间,特别是因为涉及非线性材料特性。 在这项工作中,我们建议使用热薄壳近似(TSA)来提高在以二维中求散热方程时的计算效率。 我们应用该方法计算用于CERN大型强子对撞机(LHC)和高发光LHC的超导加速器磁铁的热瞬态响应。 TSA将薄薄的电气绝缘层坍塌成线,同时准确地表示绝缘厚度的热梯度。 TSA是在开源有限元素淬火模拟器(FiQuS)的多极模块中实现的,该模块可以从输入文本文件以编程方式生成多极磁铁模型。 首先,TSA方法通过与传统的FE模拟进行验证,具有网状表面绝缘区域,用于简单的四根电缆块和MBH偶极子的详细模型。 结果表明,TSA方法显著减少了计算时间,同时保持了解决方案的准确性。 其次,使用TSA方法计算的淬火加热器(QH)延迟与MBH磁铁的测量值进行比较。 为此,热瞬态模拟与磁静性溶液耦合,以考虑磁阻效应。 第三,TSA的全部能力在几种LHC和HL-LHC超导磁体模型的非线性磁热模拟中展示。 完整的源代码,包括所有输入文件,是公开的。
Thermal transient responses of superconducting magnets can be simulated using the finite element (FE) method. Some accelerator magnets use cables whose electric insulation is significantly thinner than the bare electric conductor. The FE discretisation of such geometries with high-quality meshes leads to many degrees of freedom. This increases the computational time, particularly since non-linear material properties are involved. In this work, we propose to use a thermal thin-shell approximation...