ITER超导馈线低温部件冷却介质流动与传热模拟及结构优化

摘要

ITER装置超导馈线系统中的线圈终端盒(CTB)是馈线系统的低温、管线缆和阀门控制车间，是馈线系统最末端的接口和屏蔽部件，是系统运行的基本保证，其中冷屏是保证线圈终端盒低温环境的关键部件，位于室温壳体与超低温工作区域之间，起到阻挡热辐射的作用。本文以80K低温冷屏作为研究对象，对冷屏冷却管道出现裂纹造成氦气泄漏的极端工况进行研究，并通过管路内部气体流场的分析探索了管道产生裂纹原因，进而改进冷屏管道排列结构。
　　 首先对管道裂纹造成的氦气泄漏情况进行理论分析，并依据管道气体泄漏理论对氦气泄漏质量流率理论公式进行了整理总结。之后主要应用计算流体软件FLUENT建立了管路氦气泄漏模型，提出了研究低温氦气泄漏的数值模拟方法，计算得到管道发生泄漏3s过程中的瞬态泄漏质量流率，速度分布、压力曲线和温度曲线。考虑到冷氦气泄漏对线圈终端盒的影响，比较分析了不同管路压力和不同尺寸管路裂缝泄漏流场分布，验证了模型建立的合理性，并为超导馈线系统冷却管路氦气泄漏监测诊断提供一定的参数依据。
　　 文章根据线圈终端盒冷屏运行特点，结合冷屏受到的热负荷以及冷屏结构尺寸对冷屏表面温度进行了理论计算，确定了冷屏表面理论最高温度和冷却介质输送流量。鉴于管路发生泄漏问题，文章重点对冷屏冷却管路内流场分布特点进行了分析，获得了管路流体的速度分布、压力分布和冲击磨损分布，初步确定管路弯道处是流体流场骤变的区域，且会对流体输送和管壁造成严重影响，因此进一步采用流固耦合的方法分析了管路弯道处应力和形变，发现管路弯道处内侧壁面会产生应力集中现象，即弯道内侧为管路易破损区域，分析结果显示通过增大弯径的方式降低应力值，减弱应力集中导致的管道损坏，从而达到优化冷屏冷却管路结构的目的。对改进后的冷屏进行温度分布分析，其表面最高温度低于理论计算值，故能够满足冷屏热性能的基本设计要求。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究方向及现状

1．2．1 高压管路泄漏课题研究

1．2．2 高压管路弯管流场研究

1．3 论文主要内容

1．3．1 课题来源与目的

1．3．2 论文主要工作

第二章 研究理论基础

2．1 管道气体泄漏理论

2．2 管道泄漏检测方法

2．3 管道问题研究手段

2．4 本章小结

第三章 冷屏冷却管路泄漏模拟研究

3．1 冷屏管道泄漏模型的建立

3．1．1 一般管道泄漏模型

3．1．2 修正后管道泄漏模型

3．2 基于FLUENT的管路泄漏数值模拟

3．2．1 管道泄漏现代分析方法

3．2．2 数值模型的选择

3．2．3 数值模型的建立与计算

3．2．4 数值结果验证

3．3 不同条件对管道泄漏的影响

3．3．1 不同管道内压对泄漏的影响

3．3．2 不同管道裂缝尺寸对泄漏的影响

3．4 本章小结

第四章 冷屏的管路布局优化

4．1 冷屏基本性能参数

4．1．1 冷屏热负荷

4．1．2 冷屏关键参数

4．2 冷屏管路流场研究

4．2．1 管路弯道流场理论

4．2．2 管路弯道流场优化数值模拟

4．3 冷屏管路布局改进

4．3．1 流固耦合理论

4．3．2 管道模型介绍

4．3．3 管路弯道结构优化数值模拟

4．3．4 优化后冷屏结构

4．3．5 冷屏热性能验证

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文