脉冲强磁场3He-4He稀释制冷系统传热传质仿真及优化研究

论文摘要

脉冲强磁场装置是开展极端条件下科学研究的重要装置。稀释制冷系统是其低温部分的重要组成部分,其系统参数的优化可以保证为科学实验提供稳定、足够制冷功率及合适制冷温度的超低温环境。根据实验装置的实际情况选择了合适的热交换器形式-套管式热交换器,并改进了换热器的形式,强化传热;在进行模拟之前,收集整理材料物性值,选取合适的数值方法—最小二乘法曲线拟合,并编制程序进行计算,得出物性的函数表达式;对换热器内部流动换热过程建立了计算数理模型,利用FLUENT流固耦合模型Coupled,并将壁面温度和对流换热系数做了合适的处理,结合实际编写Udf程序,使状态方程、边界条件、和数理模型结合起来求解。叙述了这些确定条件在FLUENT软件中的实现方法,为用FLUENT软件模拟整个传热过程做充分的准备。模拟计算结果与理论值进行了比较,变化趋势与理论一致,计算模型和结果较为正确。用FLUENT数值模拟了套管式换热器的换热特性。首先,计算了不同换热器长度L（0.8m、1m、1.2m、1.4m）,不同3He进口速度V（0.001m/s、0.002m/s、0.003m/s、0.004m/s）,不同的换热器管径D（0.3mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm）对换热器出口平均温度的影响;此外,还模拟了在相同质量流量下,不同的3He循环流速V和换热器管径D的组合,换热器出口平均温度的变化趋势,进而得到L、V、D对出口平均温度的影响趋势及相互之间的影响。此外,根据气液相平衡的关系式、两相分离的原理,综合考虑超流氦分离的特点,结合脉冲强磁场装置的实际需要,对稀释制冷系统相分离装置进行了理论分析并给出相关优化措施;提出了一个尺寸结构的优化方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 脉冲强磁场及其低温系统国内外研究和发展现状
• 1.3 稀释制冷系统国内外发展现状及应用
• 1.4 本文的研究内容及目的
• 2 物性参数的数值处理
• 2.1 氦的物性概述
• 2.2 数值计算方法概述及选取
• 3He 的物性数值算法及编程计算'>2.3³He 的物性数值算法及编程计算
• 2.4 套管换热器材料物性数值计算
• 2.5 本章小结
• 3 热交换器传热分析及数值模拟
• 3.1 模拟软件的选取
• 3.2 稀释制冷系统
• 3.3 换热器选择和流道优化
• 3.5 材料和工质数据库的创建
• 3.6 UDF 程序的编写
• 3.7 计算过程的设置
• 3.8 本章小结
• 4 计算结果讨论
• 3He 循环速度V 对换热器出口平均温度的影响'>4.1³He 循环速度V 对换热器出口平均温度的影响
• 4.2 套管换热器长度L 对换热器出口平均温度的影响
• 4.3 套管换热器管径D 对换热器出口平均温度的影响
• 4.4 参数（V、D）组合对换热器出口平均温度的影响
• 4.5 壁温分布对换热性能的影响
• 4.6 结论及分析
• 4.7 本章小结
• 5 相分离装置优化
• 5.1 相分离器概述
• 5.2 稀释制冷系统相分离装置理论分析及优化措施
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献