BEPCⅡ超导磁体冷却及SSM失超过程数值模拟

摘要

本文针对北京正负电子对撞机重大改造工程项目(以下简称BEPCⅡ)中的超导插入四极磁体(SCQ)以及超导螺线管磁体(SSM)的降温和SMM磁体失超过程以及失超后SSM氦冷却回路压力变化进行了模拟计算。其中包括：SCQ和SSM从300K到4.5K的降温过程的数值计算、SSM失超后电流扩散定性研究、SSM失超后磁体中电流密度和温度变化的数值计算以及低温系统中氦温度与压力的变化过程。 对于SCQ的降温过程，限制低温系统进出口最大温差为40K，采用有限体积法数值计算软件，得到了SCQ最佳冷却曲线。对于SSM的降温过程，则分为两个部分，首先限制低温系统进出口最大温差为30K,磁体冷却至100K；100K以下限制低温系统进出口温差为50K，计算得到了SSM最佳冷却曲线以及磁体温度变化。 SSM采用铝基NbTi/Cu合金组合超导线，导线外面支撑着一个铝筒体。SSM失超后，NbTi/Cu从超导态转为正常态，电流密度扩散到铝基中，产生大量焦耳热。本文对这一过程直接求解一维电流密度扩散方程，对扩散时间以及扩散过程中产生的附加热量作定性研究。 超导磁体实际失超过程是一个非常复杂的过程，涉及到电流密度扩散、电流变化、温度升高、磁场变化等等。采用数值方法，在一定简化条件下，模拟了磁体失超后磁体电流密度扩散、电流变化以及温度升高非稳态过程。 SSM采用强迫气液两相氦流冷却，由于磁体失超后，SSM磁体温度急剧升高，与之相连的氦冷却回路的氦流瞬间吸热升温，压力也随之升高。本文在一定简化条件下，利用数值计算出的SSM磁体温度变化结果作为氦压力变化的温度边界条件，模拟了低温系统在两端进出口阀门关闭时，其压力随时间变化曲线。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1课题背景

1.1.2课题意义

1.2文献综述

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.2.3有限体积法的基本思想及特点

1.3本文主要研究内容

第2章SCQ、SSM磁体冷却模拟

2.1氦及固体物性

2.1.1氦的物性

2.1.2固体的物性

2.2 SCQ冷却模拟

2.2.1 SCQ磁体及其低温系统

2.2.2数学模型及数值计算

2.2.3计算结果及分析

2.3 SSM冷却模拟

2.3.1 SSM磁体及其低温系统

2.3.2数学模型及数值计算

2.3.3计算结果及分析

2.4本章小结

第3章SSM磁体失超后电流密度扩散的定性研究

3.1数学求解

3.1.1模型简化

3.1.2电流密度分布

3.1.3计算焦耳热

3.2本章小结

第4章SSM磁体失超模拟

4.1数学模型

4.1.1模型简化

4.1.2计算模型

4.2固体物性

4.2.1固体的比热

4.2.2固体的电阻率

4.2.3固体的导热系数

4.3数学模型的离散及计算

4.4计算结果及分析

4.5本章小结

第5章SSM失超后冷却氦气压力变化模拟

5.1数学模型

5.1.1模型简化

5.1.2计算模型

5.2计算结果及分析

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢