一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法

摘要

本发明涉及有限元仿真分析技术领域，具体涉及一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法。本发明包括以下步骤：步骤1：采集真空室内部等离子体截面各时间点的等离子体电流数据，作为等离子体电流的初始数据；步骤2：将各时间点对应的所有位置点等离子体电流密度数据文件，整理为各位置点的所有时间点等离子体电流密度数据文件；步骤3：建立起首条等离子体电流通道；步骤4：建立起各位置点对应的等离子体电流通道；步骤5：选取所有等离子体通道之间的接触面，对所有接触面进行绝缘。本发明能够模拟等离子体电流在某些极端工况下发生快速变化时，对真空室及其内部部件的结构影响。

说明书

技术领域

本发明涉及有限元仿真分析技术领域，具体涉及一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法。

背景技术

托卡马克装置是当今世界研究核聚变最重要的载体，在装置工作过程中，等离子体运行在装置内部。由于等离子体在运行过程中，其状态可能发生变化，造成周围磁场的变化，进而在托卡马克真空室及其内部部件上产生感应电流，对真空室及其内部部件结构产生重大影响。

由于技术条件限制，过去的电磁仿真分析中，对等离子体电流的模拟，采用简化的方式，通过在真空室内部建立单一的线圈电流的方式来模拟等离子体电流，线圈截面电流分布均匀，截面面积较小。由于等离子体截面较大，其轮廓与真空室内部部件轮廓相近，并且截面电流大小分布不均匀，特别是在极端工况下，截面各区域电流分布将出现快速变化，因此，单一的线圈电流方式无法真实有效地体现等离子体电流的特征，其仿真运算结果的可靠性较低，无法满足工程结构设计分析的需要。

因此为了提高托卡马克电磁分析的准确性和可靠性，必须建立密集等离子体电流通道。但是密集等离子体电流通道数量庞大，迭代次数多，并且操作重复，如果单纯的人工操作，工作量过于庞大，且容易出现失误，不仅降低了工作效率，也拉长了计算周期。

为此，提出一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法，能够模拟等离子体电流在某些极端工况下发生快速变化时，对真空室及其内部部件的结构影响。

本发明采用的技术方案：

一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法，包括以下步骤：

步骤1：采集真空室内部等离子体截面各时间点的等离子体电流数据，作为等离子体电流的初始数据；

步骤2：将各时间点对应的所有位置点等离子体电流密度数据文件，整理为各位置点的所有时间点等离子体电流密度数据文件；

步骤3：建立起首条等离子体电流通道；

步骤4：建立起各位置点对应的等离子体电流通道；

步骤5：选取所有等离子体通道之间的接触面，对所有接触面进行绝缘。

所述步骤2中，所述各位置点的所有时间点等离子体电流密度数据文件，一方面提供建模所需的电流通道截面中心坐标位置，另一方面提供该中心坐标位置对应的随时间变化的等离子体电流数据。

所述步骤3中，采用Ansys Maxwell软件，在步骤2中电流数据中，任取一中心位置坐标，在该处建立一条初始等离子体电流通道实体模型，并添加该坐标位置点对应的电流数据以及通道材料，从而建立起首条等离子体电流通道。

所述等离子体电流通道为可编辑的初始脚本文件.py。

所述步骤3具体包括如下步骤，

步骤3.1、建立初始通道实体，步骤3.2、为该条通道实体添加材料，步骤3.3、在通道实体中央取截面，并添加任意一坐标位置点的电流数据。

所述步骤3.1具体包括如下步骤，

以托卡马克中心坐标系X,Y,Z为基准，其中X为径向坐标，Y为环向坐标，Z为竖直方向坐标，在XZ平面上，建立草图，长宽为40mm×40mm，并沿中心坐标系竖直方向旋转-22.5°，22.5°，建立初始通道实体。

所述步骤4中，在Ansys Maxwell中，按照步骤3中建立等离子体电流通道的方式，对步骤2中每个坐标位置点进行相同的操作。

所述步骤3中，通道模型沿环向延伸，截面为方形。

所述步骤3.2中，等离子体电流通道材料选择纯铜材料，将等离子体模拟为铜线圈。

所述步骤5中，各个等离子体电流通道彼此相互绝缘，各通道等离子体电流互不干扰，并且电流沿真空室内部圆周方向传导。

本发明的有益效果：

本发明将Ansys Maxwell有限元仿真分析界面操作转化为Python脚本，减少鼠标操作，方便进行托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流的多通道建模、电流参数添加、通道实体材料添加，也有利于后期分析过程中对等离子体电流多通道模型、电流参数、通道实体材料进行修改，缩短了等离子体电流建模及参数添加时间，同时避免了人为重复性工作出现的人力资源浪费和低层次质量问题，使托卡马克真空室电磁仿真分析流程化、程序化、规范化。

本发明的创新点在于建立一种基于Ansoft Maxwell软件的托卡马克电磁仿真分析方法，实现对托卡马克装置电磁仿真分析，特别是在对等离子体电流的模拟上，真实有效地反映了等离子体电流的运行工况，在该种模拟工况下所获得的真空室及其内部部件的电磁结构仿真分析结果能够反映出实际工况真空室及其内部部件的电磁及结构受力情况。

附图说明

图1为本发明提供的一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法流程图；

图2为单个等离子体电流通道；

图3为整个等离子体电流通道。

具体实施方案

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种托卡马克真空室电磁仿真等离子体电流建模方法，包括以下步骤：

S1：采集真空室内部等离子体截面各时间点的等离子体电流数据，作为等离子体电流的初始数据；

S2：将各时间点对应的所有位置点等离子体电流密度数据文件，整理为各位置点的所有时间点等离子体电流密度数据文件，该数据文件一方面提供建模所需的电流通道截面中心坐标位置，另一方面提供该中心坐标位置对应的随时间变化的等离子体电流数据；

S3：采用Ansys Maxwell软件，在S2中电流数据中，任取一中心位置坐标，在该处建立一条初始等离子体电流通道实体模型，并添加该坐标位置点对应的电流数据以及通道材料，从而建立起首条等离子体电流通道，其结果如图2所示，获取可编辑的初始脚本文件(.py)；

具体步骤包括：3.1、以托卡马克中心坐标系(X,Y,Z)为基准，其中X为径向坐标，Y为环向坐标，Z为竖直方向坐标，在XZ平面上，建立草图，长宽为40mm×40mm，并沿中心坐标系竖直方向旋转(-22.5°，22.5°)，建立初始通道实体，3.2、为该条通道实体添加材料Cu，将等离子体模拟为铜线圈，3.3、在通道实体中央取截面，并添加任意一坐标位置点的电流数据。初始通道模型建立完成后，自动生成.py脚本文件，从而获得初始python脚本文件。

S4：在Ansys Maxwell中，按照S3中建立等离子体电流通道的方式，对S2中每个坐标位置点进行相同的操作，建立起各位置点对应的等离子体电流通道，其结果如图3所示；

S5：为了保证各等离子体电流通道反映出实际等离子体各区域的电流特征，必须保证各电流通道的独立性，通道的独立性通过彼此之间的绝缘来完成，具体步骤：选取所有等离子体通道之间的接触面，对所有接触面进行绝缘。

本发明与过去托卡马克装置电磁仿真分析手段的区别在于两个方面：对托卡马克等离子体电流实验数据的利用和等离子体电流的仿真模拟。上述两个步骤是实现托卡马克装置电磁仿真分析的关键，也是本发明所述方法的主要创新点。传统托卡马克装置电磁仿真分析中，通常在等离子体中心位置建立单个电流通道，并依据等离子体中心电流数据，添加均布电流，既没有体现等离子体截面电流非均匀的特点，也无法模拟等离子体电流在某些极端工况下的动态特征。本发明中密集多通道等离子体电流通道实现了等离子体电流分布的精确模拟以及等离子体电流的动态特征，使得分析结果真实可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。