線圈終端盒內(nèi)冷屏管路泄漏數(shù)值模擬

2013-12-12 陳長琦合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院

　　ITER中線圈終端盒(CTB)是連接超導(dǎo)磁體系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)的重要通道，內(nèi)部設(shè)置了不同壓力低溫管路，提供系統(tǒng)的低溫環(huán)境。本文主要研究了冷屏氦氣管路的泄漏過程，依據(jù)氣體動力學(xué)、流體力學(xué)及氣體射流動力學(xué)理論，推演出高壓低溫氣體的泄漏質(zhì)量流率公式。應(yīng)用FLUENT建立了管路氦氣泄漏模型，提出了研究低溫氦氣泄漏的數(shù)值模擬方法，計算不同壓力氦氣在3s內(nèi)的瞬態(tài)泄漏量，得到氦氣瞬態(tài)泄漏速度分布、壓力曲線和溫度曲線。數(shù)值模擬泄漏量與理論公式計算泄漏量的平均誤差很小，可為系統(tǒng)診斷氦泄漏提供依據(jù)。

　　線圈終端盒作為國際熱核聚變實驗堆(ITER)超導(dǎo)饋線系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部包括電流引線、冷屏、低溫管路和控制閥等組件。其中電流引線主要實現(xiàn)低溫超導(dǎo)母線和室溫電源的連接；冷卻管路及其控制閥完成對冷氦氣的輸送與控制，從而實現(xiàn)對電流引線、冷屏等組件的冷卻；冷屏是設(shè)置在室溫殼體和低溫部件之間，用來減少來自線圈終端盒高溫區(qū)對低溫部件的熱輻射，保證線圈終端盒內(nèi)低溫部件的正常工作。但冷屏冷卻管道在長時間工作周期內(nèi)會存在泄漏隱患，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂極端情況，造成冷屏功能喪失和線圈終端盒壓力急劇升高，進而引起超導(dǎo)電纜失超和容器破壞等惡劣后果。

　　文章針對冷屏冷卻管道破裂氦氣泄漏極端情況，基于氣體動力學(xué)及流體力學(xué)理論近似給出高壓低溫氣體的泄漏公式，并利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT數(shù)值模擬不同工況下氦氣的泄漏過程，對冷氦氣的泄漏規(guī)律進行了探討。

線圈終端盒結(jié)構(gòu)圖

圖1 線圈終端盒結(jié)構(gòu)圖

1、數(shù)值模擬

　　1.1、冷屏結(jié)構(gòu)

　　線圈終端盒的冷屏結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由冷卻管路和冷屏殼體兩部分組成，冷屏殼體固定在不銹鋼管材焊接的骨架上，冷卻管道采用外方內(nèi)圓截面的管道結(jié)構(gòu)(圖3)，蛇形串聯(lián)排列于冷屏殼體上，管路和冷屏殼體均選用1050鋁合金材料。假設(shè)冷卻管路某段發(fā)生泄漏，其管道破損情況如圖3所示，在管道表面形成一條長度9mm、寬度2mm的貫穿裂紋。

冷屏機構(gòu)圖