正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程超導(dǎo)腔恒溫器靜態(tài)熱負(fù)荷分析

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摘 要:   北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)采用了頻率為500 MHz的單cell超導(dǎo)純鈮腔作為加速腔。通過有限元分析的方法對超導(dǎo)腔恒溫器各部件進(jìn)行熱模擬和分析，并將模擬分析結(jié)果與超導(dǎo)腔的水平測試結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，確認(rèn)數(shù)值分析結(jié)果為可信的，且得出對備用超導(dǎo)腔恒溫器設(shè)計(jì)、加工和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義的結(jié)果。

關(guān)鍵詞:   BEPCII 超導(dǎo)腔 恒溫器 熱負(fù)荷 1、引 言 北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)采用了2個(gè)頻率為500 MHz的單cell超導(dǎo)純鈮腔作為加速腔，BEPCII超導(dǎo)純鈮腔在1．2×105Pa，4．4 K的飽和液氦浸泡的環(huán)境下工作，超導(dǎo)腔恒溫器的作用即是為超導(dǎo)腔的正常工作提供必要和穩(wěn)定的低溫環(huán)境，恒溫器的靜態(tài)熱負(fù)荷是評價(jià)恒溫器設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)很重要的指標(biāo)。 由于超導(dǎo)腔恒溫器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度區(qū)間跨度大，傳熱計(jì)算過程中涉及到的材料物性參數(shù)隨溫度變化大，因此理論計(jì)算有一定難度。有限元理論的發(fā)展和成熟為解決這類復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件的問題提供了有力的工具，而有限元分析軟件ANSYS以其功能強(qiáng)大、使用方便、結(jié)果可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)分析和熱分析方面得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。本文通過ANSYS平臺對超導(dǎo)腔恒溫器的各主要部件進(jìn)行了模擬和分析。 2超導(dǎo)腔恒溫器靜態(tài)熱負(fù)荷分析 如圖1所示為BEPCII超導(dǎo)腔及其恒溫器的三維設(shè)計(jì)圖，純鈮腔放置在一個(gè)由真空隔絕的290 L液氦容器中，液氦容器外有一個(gè)液氮冷卻的80 K冷屏，最外層為室溫真空筒。液氦池和80 K液氮冷屏由8個(gè)支撐座支撐在外殼真空筒上;液氦池和80 K冷屏均有多層絕熱材料包扎以減少熱輻射。 在真空度比較高的情況下，氣體分子的平均自由程相比對對流換熱的特征尺度至少具有相同的數(shù)量級，這樣對流換熱難以開展或者說非常微弱，所以可以忽略對流換熱的影響，因此恒溫器的靜態(tài)熱負(fù)荷主要包括以下幾部分:通過功率耦合器、支撐結(jié)構(gòu)、束流管、輸入輸出接口及信號測量線等部件的傳導(dǎo)漏熱，以及通過輻射屏及多層絕熱系統(tǒng)(MLI)的輻射漏熱。通過多層絕熱系統(tǒng)的漏熱計(jì)算依照以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù):室溫至80 K輻射屏，包扎30層多層絕熱材料，漏熱量約為1 W/m2;80 K輻射屏至4．5 K液氦池，包扎10層多層絕熱材料，漏熱量約為0．1 W/m2［3－4］。   2．1各主要部件靜態(tài)導(dǎo)熱數(shù)值模擬分析 對于恒溫器中傳導(dǎo)漏熱的主要部件，利用三維有限元模型分別對支撐結(jié)構(gòu)、功率耦合器、束流管、氦輸入輸出接口在低溫工作狀態(tài)下的溫度場分布及熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬和分析。模擬分析采用的材料物性數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［5－8］。首先分析找出各部件計(jì)算中關(guān)心的目標(biāo)，采用SOLIDWORKS軟件對部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化建模，而后采用有限元分析軟件AN-SYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別得出各部件在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下的溫度分布的結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算得出各溫區(qū)下的熱負(fù)荷。模擬分析得出的各部件穩(wěn)態(tài)溫度分布結(jié)果如圖2所示，從溫度分布結(jié)果可以確認(rèn)各主要部件的熱結(jié)構(gòu)是合理的。 2．2輻射熱負(fù)荷和其它靜態(tài)漏熱經(jīng)驗(yàn)分析 為了得到恒溫器的總體熱負(fù)荷，除了主要部件的導(dǎo)熱負(fù)荷之外，還需要對輻射熱負(fù)荷和其它熱負(fù)荷進(jìn)積0．08 mm2，均按照長度為1 m的銅導(dǎo)線估算，結(jié)果行計(jì)算。 (1)根據(jù)實(shí)際模型計(jì)算熱輻射面積 液氦池筒面積為2．027 m2;液氦池端面積為 0.291×2=0．582 m2; 液氮冷屏筒面積為2．900 m2;液氮冷屏端面積為