基于电流丝法的多级同步感应线圈炮电枢温升计算

针对同步感应线圈炮常用的导体圆筒式电枢,结合电流丝法,建立了电枢温升计算模型;通过搭建三级同步感应线圈炮试验平台,验证了计算模型的正确性,并分析了电枢材料和剖分设置对电枢温升计算的影响。结果表明:发射过程中电枢的最高温升位于其底部外侧,电枢前端也有较高温升;当调节载荷使铜、铝电枢等质量时,前者的温升虽然更高,但温升对其发射效率的影响却小于后者,这是因为铜的电阻率温度系数小于铝;电枢的剖分设置对电枢温升的计算的影响比较明显。因此从电枢温升对发射过程的影响来看,铜电枢比铝电枢更适合用于高速发射。     

线圈炮电枢电磁-热耦合仿真分析

 从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了3维多级感应线圈炮电磁场、温度场分布的基本方程,并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了3维有限元分析模型,忽略级间的相互影响,多级线圈炮中电枢温升可以等效为多个单级电枢的温升,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对单级感应线圈炮中电枢电磁场和温度场进行仿真。计算中考虑了材料物理参数随温度变化对温度场的影响。仿真结果表明：电枢内的温升主要分布在电枢的外表面和尾部;电枢的温度随着电容器组电压和电容增加而升高,这是因为总能量增大,电枢中涡流也增大,从而电枢的温度升高;电枢的触发位置和速度匹配关系,也会对电枢温升造成很大的影响;电枢的温度随着级数的增加逐渐升高,说明电枢在一定级数后达到了材料的熔点而被破坏。     

载流电枢与感应电枢电磁线圈发射器系统特性比较

电枢是电磁线圈发射器的关键能量转换部分,针对感应实体电枢、感应线圈电枢、串联载流线圈电枢和并联载流线圈电枢4种电磁发射器的发射原理和结构特点,推导了4种发射器的系统数学模型。根据等效电路方法,利用MATLAB建立仿真系统,对影响电磁线圈发射器系统特性的电枢尺寸、实体电枢材料、线圈电枢线径、电枢初始位置与初速度、多级发射器电枢位置序列等因素进行了仿真计算和比较分析。结果表明:感应电枢发射器在初级和末级驱动线圈电流下降阶段存在磁力拖拽效应,使得发射体速度在发射管出口处下降明显,而载流电枢发射器不存在拖拽效应;增大感应线圈电枢和串联载流线圈电枢线径,或减小并联载流线圈电枢线径,可以有效提高发射出口速度;载流电枢适用于低速较少级数发射系统。研究方法和结论对电磁发射器电枢结构选择和方案设计具有一定的指导意义。     

1.5 T磁感应强度水冷式螺线管线圈结构设计及仿真研究

介绍T量级水冷式螺线管线圈的结构设计及仿真研究工作。采用多层水冷结构设计,对不同温升导致的变形量进行计算并校核,最后利用POISSON程序对线圈磁场进行仿真计算。计算表明:最大温升60℃时,整个结构变形量小于0.07 mm,即探头相对位置变化量可小于0.1 mm;96.6 A电流加载时,中心区最大磁感应强度为1.5 T;0.01%精度轴向磁场宽度为40 mm,0.1%精度轴向磁场宽度为140 mm。从仿真结果来看,设计的水冷式螺线管线圈可满足磁场探头校准测量要求。     

单级同步感应线圈炮堵驻电磁力研究

堵驻状态下,单级同步感应线圈炮(SSICG)的电枢位置固定,电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变,且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型,对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量,试验数据与仿真结果吻合较好,验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系,为SSICG动态发射提供了试验基础。     

电磁线圈炮计算程序的收敛性与实验验证

根据电磁线圈炮中推力线圈与电枢之间的感应耦合方程和电枢动态响应方程,考虑发射过程中推力线圈和电枢的欧姆加热,开发了电磁线圈炮的计算程序,给出了程序的算法和流程。分析了程序的收敛性,认为最大时间步长和电枢最大网格均依赖于驱动脉冲波形的上升时间。通过模拟结果与单级线圈炮实验测量结果的比较,验证了程序的有效性。模拟的线圈电流波形与实验波形吻合较好,模拟的出口速度比测量速度大约6.5%。程序收敛性和有效性的验证表明该程序可用于电磁线圈炮系统的初步设计。     

长脉冲等离子体放电下HT-7装置限制器温度变化及能流分析

 在HT-7托卡马克等离子体长脉冲放电过程中，作为直接面对等离子体的第一壁限制器表面的温度变化及其承受的能流密度的计算，对于判断限制器的作用和对等离子体的影响都有非常重要的意义。主要从测量到的距离限制器表面3mm处温度变化曲线,采用无限大平面模型计算限制器模头表面能量沉积的能流密度,并讨论了不同等离子体放电下局部点能流密度的差别。多数长脉冲放电下，少数局部点的温升超过1 000℃，最大能流密度超过10MW/m ²；但通过对等离子体位移的控制，局部点温升被抑制，高密度能流持续时间短，有利于长脉冲放电。同时对限制器结构和材料对模头温度的影响也做了比较详细的分析。     

热力学排气系统气枕压力循环控制研究

对以液氮为工质的热力学排气系统进行了周期性压力循环控制实验,对实验循环过程中的气枕压力波动进行了测量,并对液相同步瞬时温度进行了实时监测。结果显示在前期混合模式阶段,由于外部环境漏热及内部低温泵功热持续向低温液体耗散与积累效应,液氮的平均温度上升速率为0.166K/h;而在后期并行运行模式阶段,低温液体通过节流膨胀产生了制冷效应,由于冷量的输入能够有效降低引起液相温升的热量,因而有效减缓了液体温度上升速率,有节流冷量输入的液体温升速率降低为0.0235K/h。通过数学模型对液相随气枕压力的温升变化速率及各运行模式终了温度进行了仿真,通过比较,发现计算结果与测试数据吻合较好。     

MICE超导耦合磁体分段内保护仿真研究

超导磁体失超过程中会产生过大内电压和局部温升,这有可能对磁体造成破坏。对超导磁体进行分段内保护是降低失超过程中内电压和局部温升的有效办法,但是分段后各段线圈之间相互耦合,使得失超过程分析复杂化。将已有的单段失超传播模型推广到分段保护磁体的失超分析,研发了失超过程仿真算法。应用该算法对M ICE超导耦合磁体在不同分段保护系统下的失超过程进行仿真研究,得到了电流、电压、温度等有关物理量变化曲线。仿真结果表明,通过选择合适的分段数和分段保护电阻,可以控制M ICE超导耦合磁体失超过程中内电压和局部温升在允许范围内。     

电磁发射中固体电枢的磁探针测速误差

对磁探针感应电压的原理进行分析,得出电枢电流变化率是磁探针测量电枢膛内运动位置误差的原因。通过简化,采用理想化的电枢电流波形和电枢位移曲线,不同电枢电流变化率条件下,在Matlab软件中对磁探针测量电枢位置进行仿真分析。结果表明:测量电枢位置误差与电枢电流变化率绝对值正相关,电枢电流变化率相同时,误差与电枢电流和电枢速度的乘积负相关。进一步对磁探针测量电枢膛内速度的误差进行仿真分析,理想电流曲线仿真结果表明:测速误差情况可分为三种,电枢电流变化率相近,则测速误差小,反之则测速误差大。     

不同轨道结构下电枢电流分布特性

解决轨道和电枢的烧蚀问题是六极轨道电磁发射器走向实际应用的关键环节,引起轨道和电枢烧蚀的原因之一就是轨道和电枢中电流分布不均匀。利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对三种不同轨道进行仿真,得到了电枢表面电流密度分布情况以及电枢受力。结果表明:矩形轨道对应电枢表面电流密度最大值在三种轨道中最小,凸出半圆形轨道枢轨接触面电流分布最均匀,在发射过程中可以有效减少轨道和电枢的烧蚀,凹陷半圆形轨道对应的电枢受力最大,可用于大质量物体的发射。     

基于遗传算法的同步感应线圈发射装置参数优化

发射速度和能量转换效率是同步感应线圈型电磁发射装置(SICEML)最重要的两项指标。驱动线圈和电枢的结构参数、驱动线圈匝数以及电枢初始触发位置都会对这两项指标产生影响。以上述参数为变量,以发射速度和能量转换效率之积为目标函数,引入遗传算法对单级SICEML参数进行了优化设计,并利用有限元软件进行了仿真验证。结果表明:在储能与发射装置总体体积不变的前提下,优化后的系统效率由5.38%提高到13.6%,出口速度由38m/s提高到61m/s,系统性能得到明显改善。利用单级SICEML样机进行了堵驻试验,结果与仿真结果吻合较好,验证了本文提出的遗传算法的可行性。     

电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5 g的电枢,以速度为1 000 m/s,166 Hz连续发射试验。通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响。结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题。      

普通铸造和低频电磁铸造7050铝合金电阻率-温度特性的研究

利用四端接线法测量以普通铸造(DC)和低频电磁铸造(LFEC)两种不同方法制备的7050铝合金的电阻率-温度曲线. 发现升温曲线在250℃有一斜率转变点,且LFEC样品电阻率随温度变化得要快;由室温至900℃的过程中,LFEC试样的液固相线温度均高于DC试样;而DC试样在900℃保温甚至降温至600℃电阻率都显著增大. 结合金相显微组织的观察,对上述现象进行理论分析. 关键词： 低频电磁铸造 电阻率 铝合金 洛伦兹力     

30℃～420℃黑体温度控制及自整定研究

作为红外标准光源,要求30℃～420℃黑体能快速升温到设定温度点,并保持温度稳定。针对其升降温功率差别大、滞后大等特点,用开关控制冲击响应自整定方法,得到黑体温升超调量、最大升降温速率等参数,采用复合智能温控策略,实现了30℃～420℃黑体温升前期快,接近设置温度时改以渐进方式达到并稳定在设定温度点。实验结果表明,实现了30℃～420℃黑体无超调地到达设定温度点,且稳定性为±0.03℃/min,该指标达到了国际同类产品水平。     

Scaling laws for plasma armatures in railguns

A methodology for deriving the electrical and thermodynamic properties of plasma armatures in railgun launchers is presented. The methodology is based on the solution to the one-dimensional, quasi-steady equations for the plasma armature. It is shown that the thermodynamic and transport properties for typical armature materials can be adequately represented by power-law curve fits in the temperature and pressure regimes of interest. To illustrate the methodology, detailed computations for both copper and aluminum armatures are performed. Some discussion is also presented for hydrogen armatures. It is shown that the armature properties predicted by the scaling laws agree very well with those derived from more detailed numerical solutions to the governing differential equations. It is shown that, for both aluminum and copper armatures, the electrical conductivity is a strong function of the current per unit rail height and a weak function of launcher geometry. This dependence is shown to be in reasonable agreement with experimental data compiled over a wide range of gun bore dimensions and operating conditions     

电磁发射枢轨界面初始接触状态研究

C型电枢通过尾翼弹性变形为电磁发射提供枢轨壁面初始接触力,初始接触状态对电磁轨道发射全过程的滑动界面状态起决定作用,影响系统效率和轨道寿命。通过建立接触模型进行模拟计算和设计多组对比试验,研究了C型电枢作用下初始接触状态。考虑材料的安全变形控制范围,在电枢头部尺寸的微小变动和尾翼的不同设计尺寸下,分析了接触压强、接触区域(面积)、接触力的变化规律。提出了控制接触状态的关键参量——压入比,接触区域随压入比的增大从电枢尾部向头部移动,最大接触面积约占总接触表面的50%。讨论了良好电接触要求下最佳接触状态及其工程实现方法。     

多级感应线圈炮最优发射控制策略

基于电路理论,建立了多级感应线圈炮数学机电控制模型;分析了电枢受力的影响因素,结果表明,电枢受力决定于驱动线圈和电枢的电流大小和它们之间的互感梯度。总结了多级同步感应线圈炮设计原则,根据设计原则,提出了感应线圈炮的最优发射控制策略,并从理论上证明其可行性,最后以10级线圈炮为例,归纳了多级感应线圈炮的触发公式,并进行了实验验证,其结果表明,通过修正触发公式,仿真结果与测量值吻合较好。