40-T混合磁体外超导线圈迫流氦流动摩擦因子分析

摘要

强磁场的应用领域非常广泛，在材料科学、生物工程与医疗以及各种工业和农业应用方面均能发挥重要作用，强磁场实验装置能为这些领域的探索研究提供必要的实验环境。40-T混合磁体项目是由国家发改委资助、由中国科学院强磁场科学中心承担建设的国家大科学实验装置“稳态强磁场实验装置”的主要建设内容之一。该试验装置于2016年年底在32mm室温孔径中获得40-T稳态磁场，它由外超导磁体和内水冷磁体组成，其中外超导磁体线圈由Nb3Sn管内电缆导体(CICC)绕制而成，采用4.5K超临界氦对26条线圈通道进行迫流冷却。
　　CICC导体由多股超导股线和铜线经过多级扭绞然后包套于不锈钢铠甲内而成，属于内冷导体。超临界氦在CICC导体内部流动，受到摩擦阻力作用产生压降和热耗散，同时带走导体在励磁过程中产生的热量。CICC摩擦因子的测量与分析是优化磁体线圈冷却策略、提高磁体运行性能的有效途径。本文旨在通过分析超临界氦在40-T混合磁体外超导磁体各线圈的摩擦因子，以优化磁体低温冷却回路和热力学工况，从而提高40-T混合磁体外超导磁体的低温稳定性，为该装置达到更高的磁场提供保障。
　　Katheder经验公式被广泛地用于CICC摩擦因子的计算，但由于40-T混合磁体线圈各支路的CICC导体结构独特，若采用该公式来计算40-T混合磁体外超导磁体线圈内的流动摩擦因子，会存在较大误差，因此，需要修正Katheder经验公式来辅助该装置线圈内的流动状态和压降等方面的分析和研究。
　　本文通过采用氦流体进行建模分析的方法对磁体运行数据进行分析处理，同时应用机器学习算法中的局部加权线性回归算法，排除了大量的异常点，修正了因雷诺数分布不均造成的拟合结果偏差。本文通过分析计算所得到的CICC摩擦因子计算公式与实验数据具有很高的一致性，将为40-T混合磁体外超导磁体的热工水力分析、冷却回路优化和低温稳定性改善奠定基础。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本课题研究的主要内容

1．4 本课题的意义

第二章 混合磁体装置及实验数据采集

2．1 实验装置介绍

2．1．1 超导线圈结构

2．1．2 磁体冷却方式

2．1．3 低温系统

2．2 CICC导体结构

2．3 实验数据采集

2．3．1 压力数据的采集

2．3．2 温度数据的采集

2．3．3 流量计

2．4 本章小结

第三章 外超导磁体装置实验

3．1 外超导磁体装置实验平台

3．2 外超导磁体线圈运行环境

3．3 实验结果

3．4 本章小结

第四章 流体控制方程与程序设计

4．1 流体控制方程

4．2 摩擦因子计算公式结构设计

4．3 基本参数的计算

4．3．1 当量直径

4．3．2 雷诺数

4．4 程序设计与物性参数调用

4．4．1 Python简介

4．4．2 Python与MATLAB

4．4．3 物性参数调用

4．5 本章小结

第五章 实验数据处理与关系式拟合

5．1 实验数据的处理策略分析

5．2 处理方法与迭代计算

5．3 局部加权线性回归用于异常点的处理

5．3．1 线性回归模型

5．3．2 高斯核函数

5．3．3 局部加权和高斯核的调整

5．4 拟合摩擦因子计算公式

5．4．1 使用高斯-牛顿迭代法进行拟合

5．4．2 拟合结果与关系曲线

5．5 本章小结

第六章 总结

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果