北京正负电子对撞机束流管及其热控制系统研究

论文摘要

为了继续保持在世界高能物理研究领域中的领先地位,我国对第一代北京正负电子对撞机进行了改造,升级为第二代(BEPCII),其中的大型探测器――北京谱仪升级为第三代(BESIII)。束流管是北京正负电子对撞机中的核心部件,位于北京谱仪的中心位置,是连接加速器与北京谱仪的唯一部件,正负电子在束流管中心位置进行对撞。正负电子对撞机正常运行时,在束流管内壁产生均匀分布的高次模辐射热负荷和呈带状分布的同步辐射热负荷。升级后的对撞机运行亮度比以前提高了约两个数量级,导致束流管内壁的辐射热负荷也成倍增加,而BESIII内离束流管最近的子探测器――漂移室的工作条件对束流管的外壁温度控制提出了严格的要求。针对北京谱仪探测的要求,本文对束流管及其热控制系统进行了深入研究,研究内容主要包括了以下三个创新:(1)针对第二代北京正负电子对撞机高能物理研究实验对束流管提出的要求,设计了合理的束流管冷却结构,并对无法进行冷却的部分提出了有效的温度控制措施,研制成功了国内第一套具有温度控制功能的束流管系统;(2)为保证束流管长期工作的可靠性,针对束流管内部热负荷的不确定性和随机性特点,采用恒定流量、补偿功率的温度控制策略,开发了束流管冷却系统;与国外束流管的冷却系统相比,本文研制的束流管冷却系统具有高精度、高可靠性的特点,完全满足北京正负电子对撞机高能物理研究需要;(3)建立了包括两种流体与多种金属之间对流换热以及层流与湍流在不同区域同时存在的复杂束流管有限元模型,考虑了金属接触部分存在的热阻,准确地模拟了束流管冷却过程,研究了主要因素对束流管温度场的影响,为束流管的可靠使用提供了指导。本文首先根据高能物理研究的要求,将束流管分为了一个中心铍管和两个外延铜管。考虑到束流管的设计使用寿命为10年,选择了对金属铍腐蚀性很小的1号电火花油对中心铍管进行冷却,采用去离子水对外延铜管冷却。根据束流管的工作条件,本文建立了三维流体流动传热数学模型,采用有限元方法对中心铍管与外延铜管的冷却参数分别进行了数值计算。确定了中心铍管的冷却油安全入口压力和中心铍管的内铍管最高温度限制,在保证BESIII物理探测要求和束流管结构安全的前提下,对中心铍管的最佳冷却通道间隙、最佳冷却油流量进行了选择。校核了外延铜管的冷却水安全入口压力,并选择了满足外延铜管外壁温度控制要求的最佳冷却水流量。根据束流管外壁温度的控制要求,研制了束流管冷却系统,结合可编程逻辑控制器和远程上位机的监控系统对束流管冷却系统中的温度、压力、流量等参数进行采集显示并控制。PLC与上位机之间通过标准第三方协议OPC进行通讯,解决了通信中的复杂多主站问题,同时使得与中控系统的通讯更加方便。冷却系统制作完成后,对其工作性能进行了测试,结果表明冷却系统温度控制精度在±0.3℃以内,运行安全可靠,完全可以满足北京正负电子对撞机高能物理研究实验的要求。为确保束流管冷却结构设计的可靠性,在束流管1:1模型件上进行了温度控制的实验测试。在束流管内部热负荷最大,冷却液流量为设计流量时,束流管冷却段外壁温差小于2.0℃,冷却结构设计合理。根据束流管模型件的实际尺寸及材料,建立了束流管热控制整体有限元模型。在中心铍管环形冷却通道内为层流流动,放大腔及外延铜管内为湍流流动时,数值计算结果具有较高的精度,束流管外壁温度理论值与实验值最大误差为0.6℃。基于所建立的束流管有限元模型,研究了束流管内部热负荷、冷却液流量、材料热导率、冷却液进出口位置对束流管内外壁温度分布的影响,为束流管的安全可靠使用提供了指导。同时根据材料热导率改变对温度分布的影响分析结果,在正式束流管的过渡段部分增加了高热导率银合金的长度,降低了无冷却过渡段的温度。根据束流管与漂移室内筒间的换热特点,建立了三维密闭空间内的自然对流换热数学模型,研究了束流管无冷却过渡段的较高温度对漂移室内筒的影响,并提出了在过渡段外加隔热罩的温度保护措施,保证了束流管在正常工作条件下,漂移室内筒温度控制在要求的20.0±1.0℃范围内。根据本文的研究内容,开发设计的束流管及其冷却系统已经通过专家验收,并安装到位上线试运行,目前运行效果良好,在北京正负电子对撞机的束流调试及正常运行中起到了重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号及意义
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 漂移室与束流管
• 1.2.1 漂移室
• 1.2.2 束流管
• 1.2.3 束流管冷却系统
• 1.3 常用湍流流动模型
• 1.3.1 零方程模型
• 1.3.2 一方程模型
• 1.3.3 二方程模型
• 1.3.4 雷诺应力模型
• 1.4 流动传热问题的数值方法
• 1.4.1 有限差分法
• 1.4.2 有限元法
• 1.4.3 有限体积法
• 1.4.4 边界元法
• 1.5 本文研究内容
• 2 束流管冷却参数设计计算
• 2.1 束流管工作条件及环境
• 2.1.1 高能物理研究的实验条件
• 2.1.2 束流管内部热负荷分布
• 2.1.3 漂移室对温度控制的要求
• 2.2 束流管基本结构
• 2.3 束流管内流体传热数学模型
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 方程离散求解
• 2.4 中心铍管冷却参数计算
• 2.4.1 冷却介质选择
• 2.4.2 中心铍管结构强度计算
• 2.4.3 内壁温度限制计算
• 2.4.4 冷却通道间隙设计
• 2.4.5 高热流密度同步辐射对温度场的影响
• 2.4.6 最佳冷却液流速计算
• 2.5 外延铜管冷却参数计算
• 2.5.1 外延铜管结构强度计算
• 2.5.2 外延铜管冷却计算
• 3 束流管冷却系统开发研制
• 3.1 谱仪内冷却液导管耐辐射性能研究
• 3.1.1 实验条件
• 3.1.2 实验结果分析
• 3.2 冷却系统工作原理
• 3.2.1 一次冷却循环子系统
• 3.2.2 二次冷却循环子系统
• 3.2.3 系统温度控制方案
• 3.3 冷却系统自动控制
• 3.3.1 冷却系统控制过程
• 3.3.2 冷却系统逻辑控制
• 3.3.2.1 可编程控制器
• 3.3.2.2 西门子PLC 选型
• 3.3.2.3 硬件控制功能
• 3.3.3 冷却系统远程监控
• 3.3.3.1 ControX2000 组态软件
• 3.3.3.2 监控界面开发
• 3.3.4 冷却系统与中控的通讯
• 3.4 冷却系统装置
• 3.4.1 泵
• 3.4.2 换热器
• 3.4.3 二次冷却循环冷水机
• 3.4.4 测量仪表
• 3.4.5 其它设备
• 4 束流管温度场实验结果与理论计算对比分析
• 4.1 实验测量及热源模拟方法
• 4.2 束流管热控制理论计算模型
• 4.3 实验测量值与理论计算值的比较分析
• 4.3.1 束流管外壁温度实验测量结果与理论计算结果对比分析
• 4.3.1.1 实验测量条件
• 4.3.1.2 实验测量结果与理论计算结果比较
• 4.3.2 中心铝管内外壁温度实验测量结果与理论计算结果对比分析
• 4.3.2.1 实验测量条件
• 4.3.2.2 实验测量结果与数值计算结果比较
• 4.4 误差分析
• 5 主要因素对束流管温度场影响的数值分析
• 5.1 同步辐射功率对温度场的影响
• 5.2 冷却液流量对温度场的影响
• 5.3 结构材料对温度场的影响
• 5.3.1 中心铍管及外延铜管材料对温度场的影响
• 5.3.2 过渡段材料对温度场的影响
• 5.4 冷却液进出口位置对外壁温度的影响
• 5.4.1 冷却油进出口位置的影响
• 5.4.2 冷却水进出口位置的影响
• 6 束流管外壁温度对漂移室内筒影响的数值研究
• 6.1 封闭空间自然对流换热
• 6.2 自然对流换热数学模型及边界条件
• 6.3 有限元模型的建立
• 6.3.1 有限元模型的网格划分
• 6.3.2 有限元模型的边界条件
• 6.4 数值计算结果分析
• 6.4.1 过渡段暴露在漂移室内时温度场分析
• 6.4.2 过渡段隔热罩内自然对流换热时温度场分析
• 6.4.3 过渡段隔热罩内填充保温材料时温度场分析
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 束流管冷却系统性能测试分析
• 附录 B 束流管正式件及其安装
• 附录 C 束流管内无热负荷时漂移室内筒温度分析
• 在学研究成果
• 致谢