超导储能系统迫流气冷电流引线的设计与传热问题研究

摘要

对于超导磁体系统而言，连接低温磁体与室温电源的电流引线是其主要漏热源之一，如何降低引线热负荷、减小制冷功率一直是超导技术研究的热点。传统电流引线分析方法数学模型的描述能力和求解方法有一定的局限性，使得最优化理论和方法在实际应用中受到了很大限制，随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟，特别是计算机技术的广泛应用，有限元分析软件对分析复杂的非线性条件下的物理情况提供了很好的途径，这也为电流引线的优化与分析提供一种新的方法和思路。结合传统计算方法和有限元分析，既可以提高传统计算方法的直观可视性，又可以提高优化分析的效率。本文对超导磁体在液氮温区采用氮气迫流冷却的电流引线提出结合传统计算方法和有限元法的优化设计并对迫流冷却电流引线的传热问题进行研究。
　　 本文在分析国内外电流引线方面取得的研究成果的基础上，提出超导储能装置液氮温区迫流冷却电流引线的优化设计方案。首先利用威尔逊法、分段法等传统电流引线分析方法，得出电流引线长横比的取值范围，为电流引线的初始建模提供依据。采用ANSYS软件进行电热耦合有限元分析，得到电流引线在自冷条件下引线温度分布以及焦耳热等参数。利用ANSYS优化方法得到漏热与模型参数的关系，获得漏热最小时引线长横比数值。考虑氮气迫流冷却，对电流引线进行热流有限元耦合分析，得到氮气流速、换热系数与出口压强之间的关系，为确定真空泵的参数提供依据。最后结合一定的电流引线测试实验对设计与分析计算结果进行验证。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 课题研究背景

1.1.1 超导储能技术

1.1.2 电流引线概述

1.2 电流引线国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

1.3.1 本课题来源及研究目的

1.3.2 本文的主要内容

2 电流引线传统设计方法

2.1 电流引线设计的传热基础

2.1.1 传热学

2.1.2 电流引线传热分析

2.2 传导冷却电流引线的优化设计方法

2.3 气冷电流引线的优化计算方法

2.3.1 威尔逊计算方法

2.3.2 分段计算方法

2.3.3 准解析计算方法

2.4 35kV/2kA电流引线结构及计算结果

2.4.1 35kV/2kA电流引线结构

2.4.2 电流引线设计的基本物理参数

2.4.3 计算结果

2.5 本章小结

3 自冷电流引线的电热耦合有限元分析及优化设计

3.1 有限元分析概述

3.1.1 有限元分析的特点

3.1.2 有限元分析的步骤

3.2 ANSYS耦合场分析简介

3.2.1 耦合场分析的定义和类型

3.2.2 电热耦合分析的控制方程

3.3 自冷电流引线的电热耦合有限元分析

3.3.1 电流引线的分析模型

3.3.2 电流引线电热耦合分析的条件与材料属性

3.3.3 电流引线电热耦合分析结果

3.4 基于APDL的电流引线有限元优化分析

3.4.1 优化设计简介

3.4.2 基于APDL的优化分析的过程

3.5 基于APDL的2kA电流引线的优化设计

3.5.1 2kA电流引线的结构优化设计的参数确定

3.5.2 2kA电流引线的结构优化设计流程图

3.5.3 2kA电流引线的结构优化设计结果

3.6 本章小结

4 迫流冷却电流引线传热问题的有限元分析

4.1 ANSYS/FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述

4.2 FLOTRAN流场热力学分析

4.3 迫流冷却电流引线传热问题的有限元分析

4.3.1 电流引线传热问题求解类型的确定

4.3.2 迫流冷却电流引线流固共轭传热耦合计算方法

4.3.3 迫流冷却电流引线的有限元分析模型

4.3.4 迫流冷却电流引线的计算结果与分析

4.4 真空泵工作参数选取依据的分析

4.5 本章小结

5 电流引线的实验测试

5.1 试验系统构成

5.2 实验步骤

5.3 实验结果

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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