热阻对液氮冷屏性能的影响研究

超导元件需用液氦降温至极低工作温度才能实现超导性能,液氦温区仅靠真空多层绝热方式无法达到理想绝热效果,采用液氮冷屏隔断液氦和环境之间的传热,能够有效降低液氦系统蒸发损失和液氦用量。为研究热阻对液氮冷屏传热特性的影响,建立了液氮冷屏热阻模型,通过理论传热计算得到了不同热阻与冷屏板温度及传热量之间的关系,利用数值模拟软件对不同热导率材料和不同板厚下冷屏板的温度分布进行了分析。结果表明,最不利热阻为接触热阻和导热热阻,采用高导热系数材料及适度增加冷屏板厚度有助于提高冷屏板温度分布的均匀性,减小接触热阻和冷屏板表面发射率有助于提高冷屏隔热性能,为改善冷屏热屏蔽效果提供依据。     

CFETR真空室冷屏结构设计与热分析

根据真空室冷屏所处位置和设计条件要求,选择304LN不锈钢作为冷屏的制作材料,在环向上把真空室冷屏分为16个扇区,每个扇区由12个子部分组成,在冷屏面板扇区的子部分上合理布置相应的冷却管回路,并选择高压液氦作为冷却剂。为减少热流密度、降低冷屏辐射发射率,在冷屏表面涂有5μm厚的银层。根据辐射热原理,利用CFX软件对真空室冷屏结构进行热分析,得到其面板的温度分布及冷却管道回路的进出口压力差,分析表明,在允许范围内验证了该冷却管道布局的合理性。     

制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制

介绍了带制冷机冷却的超导磁体系统杜瓦的设计、制作及实验结果分析。杜瓦采用 4 0 K、10 K双制冷屏结构 ,其室温磁场孔径为 75 mm,长 4 15 m m。试验结果为 :液氦蒸发率为 0 .6 9升 /天 (在 2 0天连续试验期内 ) ,优于合同规定的指标 (2 .4升 /天 )。双制冷屏由一台双级 G- M制冷机冷却 ,工作时一级冷屏温度为 35 K,二级冷屏温度为 7.0 K。磁体系统的磁场强度为 3T,满足了用户的使用要求     

CFETR内冷屏结构方案初探

基于现有冷屏结构,结合CFETR聚变堆装置的结构特点,提出了一种沿冷却板厚度方向钻冷却通道的深孔结构方案.对内冷屏各部件设计了并联加串联的特殊流道,采用有限元法计算了该方案内冷屏各部件的温度分布.结果表明,采用深孔法冷却方式,冷屏温度分布更均匀,降温效果更好.在输出辐射功率相近的条件下,深孔法的冷却方式可将表面辐射率上...     

CFETR杜瓦冷屏初步设计与热分析

选择304LN 不锈钢作为冷屏的制作材料,将杜瓦冷屏分为16 个扇区,每个扇区由20 个子部分组成,在每一个子部分上布置相应的冷却管。选择液氦作为冷却剂。为检验杜瓦冷屏结构是否符合设计要求,分析了杜瓦冷屏的传热方式以及冷却原理,利用FLUENT 软件对设计的冷屏结构进行了热分析,得到了杜瓦冷屏面板的温度分布情况以及冷却管道进出口压力差。结果表明,杜瓦冷屏面板温度和冷却管道进出口压力差在合理范围内,验证了冷却管道布局的合理性,为后续杜瓦冷屏的设计提供了重要参考。     

红外探测器冷屏设计

分析了不同F数下的冷屏高度与焦平面响应率非均匀性的关系,在冷屏高度增加的不同阶段,不同F数的冷屏通光孔径带来的杂散辐射影响不同,焦平面均匀性出现增加、减小或不变等情况,在保证焦平面最大响应梯度不超过25%以及冷屏最大温差不超过5 K的情况下,通过曲线确定冷屏高度。同时基于点源透过率（PST）的仿真结果,对4种外观结构的冷屏分别在F1.2～F5.5下的杂散光抑制效果进行分析,进一步得到每种冷屏结构在不同F数下的适用情况。提出3种冷屏排气孔结构优化方案,优化后的排气孔结构焦平面接收的探测器内部热辐射功率较优化前减小了约87%。     

ITER装置CTB盒体冷屏结构设计与传热性能的数值模拟

为了满足ITER国际组对CTB盒体冷屏的技术要求,论文对其结构型式和传热性能分别进行了设计、选型和数值模拟分析。通过对设计后的冷屏结构进行ANSYS分析,选择了冷屏为3mm厚的3003铝合金材料,确定了冷却管为22mm×22mm-φ18mm外方内圆截面的结构型式,并选择由卡子实现冷却管与冷屏面板的连接固定。最后,利用FLUENT软件针对设计后的冷屏结构进行了流固耦合数值模拟分析,获取了冷屏面板上总体温度的分布情况,验证了论文中选取和设计的冷屏结构型式能够满足ITER国际组设计技术要求,为下一步CTB盒的设计研制提供了技术保证和依据。     

MECO超导磁体支撑和冷屏的热流体计算

μ介子转化为电子实验装置(MECO)是美国能源部目前在建的一个高能物理项目。本文提出了MECO中的PS、TS1、TS2、DS四个超导螺线管磁体支撑和冷屏新的冷却方案,设计了支撑和冷屏的冷却结构。采用三维仿真方法,计算得到新方案下磁体冷质量的热负荷,并计算了50K冷却氦流质量流量、压降的大小以及冷屏上温度分布。从而为冷却结构设计和制定的新方案提供可靠的理论依据。     

基于平行板电容器的材料表面形貌测量仪

利用平行板电容器的原理设计了材料表面形貌测量仪,将探针与电容器下极板固连,当探针在不平整的样品表面扫描时,两极板间距发生改变而引起电容变化.通过LabVIEW编程控制平移台蛇形移动,用平行板电容器厚度测试电路测量pF量级的电容改变值.两极板初始距离为50～200μm的工作范围内,测量误差稳定在2μm.通过实时捕捉探针的坐标和极板间距的变化量,该测量仪可以绘制出三维曲面图.     

超级质子-质子对撞机中束流热屏的热-结构耦合模拟分析

束流热屏(beam screen)是新一代高能粒子对撞机中的重要部件,用于将束流在管道中运行时产生的热量转移到冷却系统中,同时通过束流热屏上的排气孔将残余气体输送至冷管壁上,维持良好的真空度.然而,在转移热负载的过程中,温度变化产生的形变会影响束流热屏的结构稳定性.如何在保证束流热屏良好传热性能的情况下,尽量减小形变是优化束流热屏结构设计的关键问题之一.本文采用ANSYS软件对束流热屏模型的传热性能和力学性能进行了模拟,并优化了束流热屏结构设计,增强其传热性能和结构稳定性.对于束流热屏外屏的内表面,采用减小铜涂层厚度的方式来降低运行过程中产生的洛伦兹力.相关理论模型计算结果表明:与厚度为100μm的铜涂层工况相比,当铜涂层的厚度在0到100μm之间变化时,厚度为75μm的铜涂层可以使束流热屏外屏的最大形变降低70.9%,同时使束流热屏的最高温度升高1.1%.对于束流热屏内屏,采用间隔布置支撑肋片的设计方案对束流热屏的结构进行加固处理,提高束流热屏整体的结构稳定性.计算结果表明:与未加支撑肋片的工况相比,当相邻两个支撑肋片之间的间隔为1个排气孔时,束流热屏内屏的最大形变可降低86.8%,同时使束流热屏的最高温度降低7.69%.研究成果为新一代高能粒子加速器真空系统中关键部件束流热屏的设计提供重要的理论参考.     

大型液氦杜瓦结构设计与漏热分析

为了维持较低的液氦蒸发率,对液氦杜瓦的整体结构设计及漏热要求极高。本文建立了以蒸发冷氦气作为冷屏冷源的杜瓦的结构强度设计以及绝热系统设计方法,利用三维软件建模、仿真软件进行热传导、热固耦合仿真分析,对液氦杜瓦的结构强度、漏热进行了系统分析,实现了容积为4 000 L时漏热为1.37 W、日蒸发率为1.15%气冷屏结构的液氦杜瓦,为蒸发氦气为冷屏的大型液氦杜瓦提供了设计思路。     

ITER馈线系统CTB盒冷屏多层绝热结构传热性能的实验研究

线圈终端盒(CTB)是保证ITER装置可靠运行的关键部件之一,为磁体系统与低温车间、电源大厅、数据采集系统和低温控制元件提供4.5K的超低温工作环境。线圈终端盒(CTB)内部设有80K冷屏,以吸收室温环境对其内部工作空间带来的辐射热负荷,在杜瓦和冷屏中间,设有30mm的真空多层绝热夹层。首先采用量热法和称重法,对多层绝热试件进行了热性能测试,然后分别与理论分析和CTB原型件系统实验结果进行对比,得出了CTB盒中多层绝热结构的热性能参数,为下一步大规模生产提供了有力的技术支持。     

小型传导冷却低温系统热分析与实验研究

传导冷却型低温系统中,各结构组件间的热平衡过程是以固体间热传导的形式向制冷机实现热量传递。由于各冷却部件降温条件的差异,会导致系统内部温度分布不均匀,影响被测样品性能测量,需对系统结构开展热分析与实验研究。借助ANSYS软件,建立了小型低温系统三维模型并进行了热分析,结果显示,预期系统最低温度为2.38 K,冷屏最大温差不超过1.0 K,样品台最大温差不超过0.1 K。同时,采用一套2.2 W@4.2 K双级制冷机作为冷源,完成了低温系统降温与精准控温实验。实验结果表明,冷屏误差不超过1.5 K,样品台误差不超过0.01 K,与模拟分析结果吻合良好,满足系统要求,验证了传导冷却低温系统热分析方法的准确性以及实验装置测温的可靠性,为类似装置的热分析及其设计提供了参考。     

板式离子风散热系统性能研究与优化

为探究板式离子风散热系统的性能和提供系统优化的新思路,提出一种针-平行板电极的板式离子风发生器,讨论针的位置、板间距、板厚等参数对风速和对流换热系数的影响,利用热红外成像仪分析板电极产生离子风时的温度分布以及焦耳热效应对热传递的影响。结果表明针电极距板外10 mm、板间距10 mm和板厚1.5 mm为优选方案,最大传热系数达25 W·m^-2·K^-1。     

HIAF项目超导二极磁铁样机测试低温阀箱的设计

强流重离子加速器装置(HIAF)二极磁铁样机要在流量、温度均可调节的低温环境中进行试验,研制满足试验要求的阀箱是保证低温真空试验环境的关键。设计的阀箱系统在满足二极磁铁样机降温的同时还具备实现磁体温度在4.3K—8K的范围内调节、对高温电流引线进行冷却的功能。液氦管路系统自身带有一定压力,阀箱内部配有一台液氦换热器用于满足试验温度要求。通过理论计算得出,该阀箱液氦过冷换热器需盘管20m,80K—4K总漏热为6.105W,满足设计要求;通过有限元分析得出,阀箱外壳最大变形在上法兰中心处,约为0.533mm,外壳应力也满足强度要求,冷屏温度主要分布于77.3K—77.8K之间,整体温度均匀性良好。     

HL-2M 偏滤器超汽化结构冷却性能研究

利用 ANSYS CFX 分析软件对 HL-2M 偏滤器超汽化结构模块方案进行了热工水力分析。研究结果 表明：在流道高度为 6mm 时,翅片高度为 3mm、厚度为 4mm 的超汽化结构排热能力最佳。当超汽化结构偏滤 器表面热流密度为 10MW·m^-2 时,靶板表面最大温度小于 700℃,热沉最大温度小于 300℃,满足排热能力需求和材料许用范围。     

翅片结构参数对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响

以纵向翅片扁管换热器为研究对象,分析翅片长度、翅片高度及翅片间距对换热性能的影响,并对换热器的翅片结构参数进行优化,得出进口风速为2m/s时理想的翅片结构参数为:翅片长度为400mm、翅片高度为25mm、翅片间距为2.7mm.     

基于高阻抗表面的多频带Salisbury屏设计

为进一步提高传统Salisbury屏的吸波性能, 本文提出了利用高阻抗表面在特定频率同相反射的特性, 替代原有结构中的金属平板设计多频带Salisbury屏的方法. 通过分析不同频率电磁波经高阻抗表面反射后空间电磁场的场强分布, 说明可以通过共用Salisbury屏的损耗层, 在高阻抗表面同相反射的特征频率附近引入新的吸收带. 以不同尺寸方形周期结构的单频和双频高阻抗表面为例, 从仿真和实验两个方面验证了多频带Salisbury屏设计的可行性, 且实验和仿真结果十分符合. 结果表明, 多频带Salisbury屏基本保留了原有的吸波性能, 同时又引入了新的吸收峰, 吸收峰的位置和数量与高阻抗表面同相反射的频带位置和数目有关. 与传统的Salisbury屏相比, 在材料增加厚度不足1 mm 的情况下, 多频带Salisbury屏的设计使反射率小于-10 dB的吸波带宽由8.5 GHz增加到10.1 GHz, 且实现了向长波方向的拓展, 最低频率由7.5 GHz拓展到5.98 GHz.     

不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能实验研究

 通过对铝Whipple防护结构进行扩展变形,设计出不锈钢网/铝板组合多冲击防护屏,并利用二级轻气炮对其进行高速撞击实验,撞击速度为3.93~4.25 km/s,弹丸直径为6.35 mm。分析了不同规格不锈钢网、不同间距组合以及网格间结膜对不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的影响。结果表明：不锈钢网位于防护屏的最后层有利于碎片云的扩散;不锈钢网位于防护屏最前层不利于撞击粒子的初次破碎;丝网几何参数、防护层间距组合是提高不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的重要参数;网格间结膜有助于弹丸撞击动能的吸收。     

翅片管换热器结构对霜层生长特性影响研究北大核心

以50%的去离子水-乙二醇溶液作为制冷剂,用显微测相法测量翅片表面的霜层厚度,实验研究了换热器结构对翅片管式换热器的结霜性能的影响。实验结果表明:对于不同翅片间距(1.6mm—2.8mm)的换热器,当翅片间距为1.9mm时,换热器的平均换热量最大,且相对运行稳定,换热器的性能最优。采用平片时,换热器表面霜层生长较慢,但是其换热量较小,工程实践中不宜采用;采用波纹片时,换热器换热量较大且稳定性较好;在不结霜的情况下,开窗片换热器性能优于正弦波纹片与平片。