超流氦低温系统发展及涡轮冷压缩机的应用

2 K下大型氦低温系统已采用离心式涡轮冷压缩机在低温低压下对饱和液氦槽减压操作,以获得超流氦或过冷氦.介绍了2K温度级超流氦制冷机发展情况和涡轮冷压缩机在氦制冷系统中的应用,以及中国科学院等离子体物理研究所EAST超导托卡马克氦低温制冷机中过冷氦的制取过程.     

冷压缩机用多级连接管路的数值模拟

多级串联冷压缩机系统是大型超流氦低温系统关键部件,其每一级冷压缩机的性能同时受前后管网流动影响较大。为探究管路特性影响,结合实际系统中冷压缩机间低温连接管路的结构,建立了流-热耦合分析仿真模型,重点研究了管路内粗糙度、旋度流动特征及波纹管结构特征对气体流动特性的影响。结果表明管路粗糙度和流体旋度的变化会显著引起管路内总压的损失,同时分析得出波纹管的波节数和导流筒结构对管路内氦气流动的影响规律。     

冷氦换热器数值建模及性能仿真研究

采用基于集总参数法的AMESim仿真软件对某型号运载火箭冷氦换热器进行建模,模型考虑了管外的高温燃气凝结换热、管内的强制对流换热及换热管沿轴向、径向的导热。在此基础上,开展了冷氦换热器的单元无关性分析、换热器性能仿真及参数影响性分析。仿真模型有效性通过搭载发动机地面试车试验数据进行验证。计算结果表明:仿真模型能较好地模拟冷氦换热器的性能,且随着冷氦进口温度升高,出口温度也基本线性递增;随着冷氦流量增大,出口温度逐渐降低,而工作压力对换热器性能影响较小。     

调用氦物性程序对透平膨胀机叶轮S_2流面正问题分析

为了保证EAST大型低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足参数设计,利用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T3叶轮流场进行计算。通过编程计算,得出T3叶轮子午面流场,分析得到进出口的参数压力和温度达到设计的要求。同时考虑到,T3叶轮进口参数处于高压、深低温区,此时工质氦不能看作理想气体,因此调用氦物性程序,使得结果更加符合实际情况。     

超流氦低温系统板式换热器的设计与优化

负压换热器是超流氦低温系统的关键部件。通过设计和优化，将板式换热器应用于液氦温区。采用分布参数微元法建立了变物性参数换热器传热模型，基于该模型编写了板式换热器的设计与校核计算程序。以换热器效能、负压侧压降和换热器体积为目标进行了量纲分析，确定了人字波纹板片的优化参数。随后采用NSGA-Ⅱ算法进行了多目标优化，以换热器体积最小为前提做出了板式换热器选型。最终得到了三种优化后的设计方案，研制了板式换热器样机。通过分析换热器性能随热流体流道数的变化规律，解释了换热器设计效能偏高的原因。     

Analysis on direct problem of S2 surface of helium turbine impeller by calling helium properties program

为了保证EAST大型低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足参数设计,利用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T3叶轮流场进行计算.通过编程计算,得出T3叶轮子午面流场,分析得到进出口的参数压力和温度达到设计的要求.同时考虑到,T3叶轮进口参数处于高压、深低温区,此时工质氦不能看作理想气体,因此调用氦物性程序,使得结果更加符合实际情况.     

超流氦相分离器实验装置降温过程仿真与实验结果

超流氦(HeⅡ)多孔塞气液相分离器研究需要控制性能良好的超流氦实验装置.针对实验中的减压降温过程进行了仿真计算,仿真模型中考虑了超流膜爬行对温度的影响,针对仿真的工况,进行了实验验证,仿真结果与实验符合的很好.在HeⅡ氦池温度范围为1.5～1.9 K的条件下采用本实验装置对HeⅡ通过多孔塞样品进行了初步的实验,实验中控制了实验工况,测量了蒸发氦气流量,多孔塞两端温差和压差,在小温差、压差区域和较大温差、压差区域分别观察到超流氦的两种不同的流动特性.     

液氢温区冷氦增压系统试验研究

针对某型号火箭冷氦增压系统,建设了液氢温区冷氦增压系统试验平台,通过试验得到了冷氦气源压力和温度、冷氦加热器性能、模拟贮箱压力和温度的变化规律.结果表明:低温制冷机组配合高压低温换热贮罐可以真实模拟箭上的冷氦气源;根据对增压过程中贮箱压力的分析表明排气方式可以真实模拟箭上推进剂消耗过程中贮箱压力的变化情况;另外,试验中压力信号器、电磁阀和贮箱工作正常,验证了火箭冷氦增压系统的可靠性.     

氦透平膨胀机叶轮造型与设计方法

在制冷和低温系统中,氦低温系统的效率主要取决氦透平膨胀机的效率.利用ANSYA软件对氦透平膨胀机中工作轮和制动轮进行叶片造型,并对模型进行数值模拟计算.分析结果显示ANSYS可以比较方便快捷的设计出符合设计参数的透平膨胀机工作轮和制动轮,对提高氦透平膨胀机制冷效率和稳定性等方面都有实际意义.     

2 kW/4 K氦制冷机制冷循环的优化计算

HT- 7U超导托卡马克的纵场磁体和极向场磁体均采用 3.8K超临界氦迫流冷却。其低温系统氦制冷机在 4K温区的基本设计容量为 10 5 0 W/3.5 K 2 0 0 W/4 .4K 13g/s· L He。给出了氦制冷机的基本流程 ,对其制冷循环进行了热力学分析 ,得到了影响制冷循环的关键独立参数。并以 2台串联透平膨胀机的排气温度为独立变量对氦制冷循环进行了优化 ,得到了氦制冷循环设计的最优参数值及它们对所需压缩机流量的影响     

稳态强磁场实验装置低温系统360 W/4.5 K制冷循环热力学分析和优化计算

稳态强磁场实验装置的超导线圈采用4.5 K超临界氦进行冷却,制冷模式下,制冷机的设计容量为360 W/4.5 K.首先对氦制冷循环进行了热力学分析,然后以压缩机氦流量为优化对象,结合低温系统的工程要求,选取合适的参数,对制冷循环进行了优化计算.计算结果显示:液氮消耗量为28.50 L/h,压机消耗功率约102 kW,系统的制冷系数为0.003 5.     

大型超流氦低温冷却系统的研究进展

低温超导技术在基础科学研究中的广泛应用,极大的带动了低温工程的技术发展。通过介绍超流氦在大型低温系统中的应用优势,国内外几个典型超流氦低温冷却系统的流程、性能指标以及运行情况。分析了大型超流氦低温冷却系统的主要设备构成、热力循环方案以及关键设备、关键技术突破方向。     

独立参数对氦低温制冷系统循环效率的影响

对改进Claude循环的大型氦低温制冷系统建立能量平衡方程,得出循环效率的计算公式。对氦低温制冷系统的制冷模式和液化模式进行热力分析,找出循环中各个参数之间的关系,并提炼出关键的独立变量:压缩机出口压力,透平膨胀机的分流率和换热器效率。利用流程软件对改进Claude循环的大型氦低温制冷系统建立静态模型,分析了压缩机出口压力,透平膨胀机的分流率和换热器效率与循环效率的关系,从而找出系统的最优设计参数。     

两级热泵活塞式压缩机模型研究

采用稳态仿真的方法对双级压缩热泵系统的压缩机部件建立模型,并建立中间冷却器模型。由于在低温丁况下试验,模型建立考虑了压缩机和环境的换热。通过建立试验台,采集试验数据并与仿真结果进行比较。结果表明,稳态仿真能够良好地反映系统运行中的参数变化。     

冷氦增压系统换热器换热性能研究

为研究各种流量工况下冷氦增压系统中换热器的换热性能和压力损失,开展了冷氦增压系统搭载发动机试验和数值仿真研究,研究结果表明通过换热器的冷氦气体流量增大,换热器的出口温度降低且对换热器压力损失增加,数值仿真结果与试验结果吻合较好,换热器性能试验研究为提升冷氦增压系统工作性能打下基础。     

ADS 2K低温系统超流氦换热特性研究

以ADS 2K低温系统为研究平台,分析了恒温器结构参数中上升管与峰值热量的关系,测量了超导腔液氦池中不同工作温度下的超流氦峰值热量,最后给出了恒温器上升管的设计方法,并验证了ADS低温恒温器上升管设计的合理性。     

低温节流阀的设计与计算

针对某超流氦系统所需要的低温节流阀,设计并加工了几种不同结构形式和尺寸的阀针.运用数值模拟方法分析了节流阀的流量特性,并运用实验的手段测量了其流量系数与阀门开度之间的关系.最终确定了一个适合该超流氦系统的较为理想的节流阀.     

超临界氦增压系统仿真与优化设计

采用基于集总参数法的AMESim两相流库及32参数的MBWR物性方程,针对超临界氦增压的地面预增压过程及箭上增压过程,构建了超临界氦增压系统仿真模型,实现了从亚临界的气液两相流到临界流、超临界流状态的全过程仿真。以某超临界氦增压系统为算例进行了超临界氦增压仿真分析,并建立了超临界氦增压系统优化模型,以增压完成后挤压气瓶剩余质量和液氦贮罐内剩余质量最小为优化目标,以挤压气瓶容积,液氦贮罐容积为优化变量,采用多目标遗传算法对该超临界氦增压系统参数进行了优化设计,在满足增压要求的情况下减轻了系统的总质量。     

用Fluent软件优化喷粉室结构、模拟流场状态

静电粉末系统喷涂室的设计全凭经验进行,繁杂且不确定因素较多。利用ANSYS软件自带的APDL参数化语言将喷粉室的模型参数化;根据ANSYS软件和Fluent软件的接口技术实现了对参数化模型的读入;根据实际工况对仿真模型施加适当的边界条件,实现了对喷粉室内部流场状态的模拟。通过模拟结果可不断调整喷粉室结构的参数,进而实现喷粉室结构的优化设计。     

高压低温换热贮罐换热性能仿真计算

设计了一种高压低温换热贮罐,配合斯特林制冷机可用于获取和贮存20 K@35 MPa冷氦气,在无液氢的情况下具备液氢温区试验能力,以满足液体火箭冷氦增压系统实验的气源要求。对该贮罐进行了漏热分析,得到贮罐漏热量。采用Solidworks和Matlab对预冷过程和换热过程进行仿真计算与分析,得到预冷时间和换热时间分别为3小时和47小时。