正負電子對撞機重大改造工程超導腔恒溫器靜態(tài)熱負荷分析

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

關鍵詞:   BEPCII 超導腔 恒溫器 熱負荷 1、引 言 北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)采用了2個頻率為500 MHz的單cell超導純鈮腔作為加速腔，BEPCII超導純鈮腔在1．2×105Pa，4．4 K的飽和液氦浸泡的環(huán)境下工作，超導腔恒溫器的作用即是為超導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)熱負荷是評價恒溫器設計好壞的一個很重要的指標。 由于超導腔恒溫器結構復雜，溫度區(qū)間跨度大，傳熱計算過程中涉及到的材料物性參數(shù)隨溫度變化大，因此理論計算有一定難度。有限元理論的發(fā)展和成熟為解決這類復雜幾何結構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以其功能強大、使用方便、結果可靠、效率高等優(yōu)點在結構分析和熱分析方面得到了廣泛的應用［1－2］。本文通過ANSYS平臺對超導腔恒溫器的各主要部件進行了模擬和分析。 2超導腔恒溫器靜態(tài)熱負荷分析 如圖1所示為BEPCII超導腔及其恒溫器的三維設計圖，純鈮腔放置在一個由真空隔絕的290 L液氦容器中，液氦容器外有一個液氮冷卻的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)熱負荷主要包括以下幾部分:通過功率耦合器、支撐結構、束流管、輸入輸出接口及信號測量線等部件的傳導漏熱，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)的漏熱計算依照以下經(jīng)驗數(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)導熱數(shù)值模擬分析 對于恒溫器中傳導漏熱的主要部件，利用三維有限元模型分別對支撐結構、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荷進行了模擬和分析。模擬分析采用的材料物性數(shù)據(jù)來源于文獻［5－8］。首先分析找出各部件計算中關心的目標，采用SOLIDWORKS軟件對部件結構進行合理的簡化建模，而后采用有限元分析軟件AN-SYS進行數(shù)值模擬分析，分別得出各部件在穩(wěn)定的運行狀態(tài)下的溫度分布的結果，進而根據(jù)模擬結果計算得出各溫區(qū)下的熱負荷。模擬分析得出的各部件穩(wěn)態(tài)溫度分布結果如圖2所示，從溫度分布結果可以確認各主要部件的熱結構是合理的。 2．2輻射熱負荷和其它靜態(tài)漏熱經(jīng)驗分析 為了得到恒溫器的總體熱負荷，除了主要部件的導熱負荷之外，還需要對輻射熱負荷和其它熱負荷進積0．08 mm2，均按照長度為1 m的銅導線估算，結果行計算。 (1)根據(jù)實際模型計算熱輻射面積 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