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Tipo do documento: Dissertação
Título: Estudo físico computacional das propriedades eletromagnéticas de uma fita de YBCO
Autor(es): Costa, Felipe Lins de Brito
Orientador(a): Cruz, Frederico Alan de Oliveira
Primeiro coorientador: Neves, Marcelo de Azevedo
Primeiro membro da banca: Nascimento, Carlos Alexandre do
Segundo membro da banca: Dias, Cláudia Mazza
Palavras-chave: Finite Element Method;Electromagnetic;Superconductivity;Método dos Elementos Finitos;Eletromagnetismo;Supercondutividade
Área(s) do CNPq: Matemática
Ciência da Computação
Idioma: por
Data do documento: 13-Out-2014
Editor: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UFRRJ
Departamento: Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e Computacional
Citação: COSTA, Felipe Lins de Brito. Estudo físico computacional das propriedades eletromagnéticas de uma fita de YBCO. 2014. 103 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Matemática e Computacional) - Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica - RJ, 2014.
Resumo: Nos últimos anos um número expressivo de equipamentos tem sido produzido com base em simulações computacionais, fornecendo informações necessárias para sua construção física. Muitas dessas simulações usam o chamado Método dos Elementos Finitos (MEF), que tem como ideia básica dividir o domínio do problema em sub-regiões, onde é possível descrever um meio contínuo a partir da sua discretização em elementos com as mesmas propriedades de quem os originou. No caso específico de problemas que envolvem conceitos eletromagnéticos, o MEF mostra-se bastante eficiente, principalmente em função da complexidade de se determinar uma solução analítica em algumas situações ou mesmo quando ela e´ impossível de ser determinada. Dentro dos fenômenos eletromagnéticos, a análise numérica baseada no MEF tem se mostrado, nos últimos anos, uma poderosa ferramenta para estudar o comportamento das características dos materiais condutores e supercondutores, quando percorrido por uma corrente. Sendo assim, nesse do trabalho utilizamos as ferramentas de modelagem e simulação computacional, com o objetivo de compreender as características eletromagnéticas do supercondutor YBCO e sua dissipação de energia (perda AC), quando percorrido por uma corrente alternada. Para o estudo do comportamento das propriedades elétricas dos materiais, foi realizada uma simulação utilizando o MEF, com base nas características eletromagnéticas envolvidas no problema. Devido a sua complexidade, optamos por resolver o problema usando o pacote comercial Comsol Multiphysics 4.3a (c). O nosso estudo foi realizado no seguinte conjunto de etapas: (1) Na primeira delas realizamos a implementação de uma estrutura retangular em 2D; (2) o passo seguinte foi realizar a escolha de diferentes dimensões e tipos de malha a serem utilizados na simulação do material supercondutor YBCO; (3) A fase seguinte ocorreu pela implementação de equações que levassem em consideração mais parâmetros do material, como temperatura e campo magnético aplicado; (4) finalmente foi realizada a análise da perda AC no material, em função das correntes aplicadas. Observamos, como era de se esperar, que a não linearidade das equações que descrevem o problema influenciam na convergência da solução, assim a melhor relação custo x benefício foi com elementos quadrangulares de primeira ordem. Os efeitos elétricos e magnéticos encontrados na simulação correspondem ao modelo teórico, e as perdas AC estão dentro do valor esperado pela literatura, sendo assim, o modelo virtual elaborado pode ser utilizado como ferramenta norteadora de um protótipo real que utilize supercondutores do tipo II.
Abstract: In recent years a significant number of devices have been produced based on computatio-nal simulations by providing information necessary for their physical construction. Many of these simulations use the so-called Finite Element Method (FEM), whose basic idea is to divide the problem domain into sub-regions, where it is possible to describe a con-tinuous medium from its discretization into elements with the same properties of whom originated. In the specific case of problems involving electromagnetic concepts, the FEM appears to be quite efficient, mainly due to the complexity of determining an analytic solution in some situations or even when it is impossible to determine it. Within the electromagnetic phenomena, the numerical analysis based on the FEM has been shown in recent years as a powerful tool for studying the behavior characteristics of the conductors and superconductors, when traversed by a current. Therefore, in this work we use the tools of computer modeling and simulation, with the aim of understanding the electro-magnetic characteristics of the superconductor YBCO and its power dissipation (AC loss) when traversed by an alternating current. To study the behavior of the electrical properties of materials, a simulation was perfor-med using the FEM based on the electromagnetic characteristics involved in the problem. Due to its complexity, we chose to solve the problem using the Comsol Multiphysics 4.3a ccommercial package. Our study was conducted in the following set of steps: (1) At the first step, we conducted the implementation of a 2D rectangular structure; (2) The next step was to make a choice of different sizes and types of mesh to be used in the simula-tion of YBCO superconducting material; (3) The next phase was the implementation of equations that take into consideration the material parameters, such as temperature and applied magnetic field; (4) Finally the AC´s Losses in the material as a function of the applied current was performed. We´ve noted that the non-linearity of the equations that describe the problem influence the convergence of the solution, so the best cost-benefit ratio was obstaired with first order quadrilateral elements with first order. The electrical and magnetic effects encountered in simulation correspond to the theoretical model and the AC´s losses are within the expected value in the literature, thus the proposed virtual model can be used as a guiding tool using an actual prototype of the type II superconductor.
URI: https://rima.ufrrj.br/jspui/handle/20.500.14407/14347
Aparece nas coleções:Mestrado em Modelagem Matemática e Computacional

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