论文部分内容阅读
制冷机直接冷却型超导磁体因其结构简单、部件紧凑以及无需使用液氦等优点,在强磁场应用领域得到广泛应用。目前,G-M制冷机是用于冷却小型超导磁体的主要制冷机类型之一。由于其自身内部运行过程复杂,有诸多不可控因素,制冷机与磁体系统耦合后的温度确定是当前较难解决的问题。对于G-M制冷机的不同型号,偏重于采用较大的漏热估算值判断制冷机是否具有足够的制冷量冷却磁体,但该方法无法对一二级冷头的稳定温度和磁体系统温度场进行准确预测,同时容易造成制冷机型号选择不当。为提高一二级冷头和超导磁体系统耦合温度场的预测精度,本文以RSDK-408D2型制冷机和10TNb3Sn超导磁体系统为例,通过制冷机冷却特性曲线拟合和Workbench热力耦合模块仿真,提出了一种可较为精确地预测G-M制冷机与超导磁体耦合后系统温度分布的方法。制冷机冷却特性曲线是根据热平衡原理进行实验得出的制冷机性能曲线,包含一二级冷头温度与冷量输出之间的重要关系。本文从热力学角度对G-M制冷机的理论制冷量进行分析,考虑各种损失,推出冷却特性曲线的函数形式,并采用1Stopt软件进行特性曲线拟合,给出了一二级冷头运行温度与制冷量的函数关系。采用10T Nb3Sn超导磁体结构进行系统的漏热计算。区别于传统算法,将一二级冷头温度T1、T2设为未知量代入各级漏热方程与冷却特性曲线方程进行求解,计算得到了制冷机两级冷头的温度,并以此作为数值模拟的初始边界条件。对二元电流引线进行了结构优化,并模拟了不同电流下电流引线的温度分布。基于ANSYS APDL磁场分析结果建立系统模型,采用Workbench稳态热分析模块将计算得到的一二级冷头温度作为边界条件进行数值模拟。经迭代模拟后得到的结果与制冷机冷却特性曲线吻合,由此得到磁体系统最终温度分布,验证了制冷机稳态条件下的冷却能力。仿真分析了RSDK-408D2制冷机布置方式下辐射屏、真空罩及HTS电流引线由热应力引起的变形情况。采用C语言编写程序,计算励磁过程中磁场的变化对磁体系统温度的影响。通过运行结果中磁体温度随时间的变化情况确定最佳励磁速度,以检验所选制冷机在动态变化的励磁过程中是否具有足够的冷却能力。