考虑电磁与热耦合的ITER过渡馈线设计与实验研究
发布时间：2020-10-30 20:35
国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）的目标是通过国际合作，研制一个可自持燃烧的托卡马克可控聚变试验堆装置，为和平、安全利用聚变能进行科学探索和研究。ITER过渡馈线（CryostatFeed-Through，简称CFT）作为馈线系统的一个重要组成部分，是核聚变装置的关键部件之一。因此，对过渡馈线及其关键部件的设计进行研究是十分必要的。 本文对过渡馈线和国内外主要托卡马克装置冷屏的研究现状进行了广泛的调研，参照ITER总体设计的相关文档，制定了过渡馈线的设计准则、材料选择原则等。针对CFT冷屏结构复杂和有多场作用的特点，对其进行了热、电磁以及耦合分析和实验研究。完成的主要研究工作和成果如下： （1）针对CFT冷屏的设计，综合运用电磁学理论、热力学理论、耦合分析理论、有限元理论、计算机辅助工程、机械设计等学科知识，建立了考虑多场耦合分析、加工制造和实验的冷屏设计方法。通过热学实验，对冷屏的热分析进行了验证。 （2）综合运用公式计算和有限元仿真对CFT冷屏各个参数作了详细的设计与分析，通过对比分析各个设计方案，最终确立了CFT冷屏的各个设计参数。对冷屏的焊接方式进行了筛选，通过焊接实验，确定了冷屏冷却管的焊接方案。 （3）对于CFT冷屏的电磁分析，提出了解析法与有限元法相结合的分析方法。分别通过这两种方法计算得到了冷屏上磁场分布、涡流分布等一系列的电磁分析数据，对比了两种方法的计算结果，较为接近的计算结果验证了计算方法的可行性和计算结果的正确性。 （4）针对CFT冷屏的热分析，详细阐述了CFT冷屏的热源以及传热方式，理论计算出了辐射热流密度和对流换热系数等参数。将电磁分析中得到的焦耳热作为热源计入热分析中，完成了CFT冷屏的电磁—热局部耦合分析。 （5）将多场耦合的分析理论引入到CFT冷屏的分析中，制定了CFT冷屏的多场耦合分析方法。在电磁和电磁—热局部耦合分析的基础上，将电磁力和温度载荷代入结构分析中，完成了CFT冷屏的电磁—热—结构全局耦合分析。 （6）深入研究了CFT冷屏的多层绝热，分析和计算了多层绝热中的热辐射、热对流和热传导的热量损失。对冷屏的表面镀银工艺以及镀银后在低温下的发射率进行了对比实验，为以后聚变装置馈线冷屏的表面处理提供了详尽可靠的实验数据与可借鉴方案。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL631.24
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
插图清单
表格清单
第一章 绪论
1.1 引言
1.1.1 人类面临的能源问题和解决途径
1.1.2 受控核聚变的原理及发展历程
1.1.3 ITER与中国
1.1.4 本课题研究意义
1.2 CFT 冷屏多场耦合分析与实验研究
1.2.1 CFT 冷屏多场耦合分析
1.2.2 CFT 冷屏的热损耗分析与实验研究
1.3 研究现状
1.3.1 ITER 装置过渡馈线系统的研究现状
1.3.2 冷屏的国内外研究现状
1.4 研究课题的来源与内容
1.4.1 课题来源
1.4.2 论文的主要研究内容和组织结构
第二章 过渡馈线的设计准则与载荷工况的研究
2.1 引言
2.2 ITER 装置馈线系统介绍
2.2.1 ITER 装置简介
2.2.2 ITER 装置馈线系统的分类
2.2.3 ITER 装置馈线系统的结构组成
2.3 CFT 设计准则
2.3.1 机械强度设计准则
2.3.2 强度校核与应力判据准则
2.4 CFT 材料的选择
2.4.1 材料的选择原则
2.4.2 CFT 各部件的材料选择
2.5 CFT 载荷工况的研究
2.6 CFT 主要结构设计
2.6.1 CFT 设计流程
2.6.2 CFT 外管设计
2.6.3 CFT 冷屏设计方法的实验验证
2.7 本章小结
第三章 CFT 冷屏的结构设计与工艺实验研究
3.1 引言
3.2 CFT 冷屏的设计
3.2.1 冷屏冷却介质的选择
3.2.2 冷屏冷却管的设计
3.2.3 冷屏冷却回路的设计
3.2.4 冷屏面板的设计
3.3 CFT 冷屏工艺实验研究
3.3.1 冷屏的焊接工艺实验
3.3.2 冷屏冷却管的漏率检测实验
3.4 本章小结
第四章 CFT 冷屏电磁分析
4.1 引言
4.2 冷屏电磁分析有限元计算
4.2.1 冷屏电磁分析的理论基础
4.2.2 冷屏分析模型的建立
4.2.3 冷屏电磁分析的载荷工况
4.2.4 冷屏的稳态电磁场分析
4.2.5 冷屏的瞬态电磁场分析
4.3 基于毕奥—萨伐尔定律的理论计算
4.3.1 单根超导母线周围空间的磁场理论计算
4.3.2 一对超导母线周围空间的磁场理论计算
4.3.3 冷屏上涡流的计算
4.4 有限元计算与理论计算结果比较
4.4.1 稳态计算结果比较
4.4.2 瞬态计算结果比较
4.5 本章小结
第五章 CFT 冷屏热分析与耦合研究
5.1 引言
5.2 冷屏热分析的理论计算
5.2.1 冷屏上辐射热载的理论计算
5.2.2 冷屏二维热分析的理论计算
5.2.3 冷屏三维热分析的有限元计算
5.3 冷屏耦合场分析
5.3.1 耦合场概述
5.3.2 冷屏局部耦合研究
5.3.3 冷屏整体耦合研究
5.4 本章小结
第六章 CFT 冷屏热损耗分析与实验研究
6.1 引言
6.2 冷屏真空多层绝热研究
6.2.1 多层绝热结构材料的选择
6.2.2 多层绝热结构传热分析与计算
6.3 冷屏镀层辐射性能实验研究
6.3.1 不锈钢表面刷镀工艺实验
6.3.2 冷屏表面镀银发射率测试
6.4 本章小结
第七章 全文总结与展望
7.1 研究工作总结
7.2 论文主要创新点
7.3 今后研究工作展望
参考文献
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况
【参考文献】
本文编号：2862973
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL631.24
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
插图清单
表格清单
第一章 绪论
1.1 引言
1.1.1 人类面临的能源问题和解决途径
1.1.2 受控核聚变的原理及发展历程
1.1.3 ITER与中国
1.1.4 本课题研究意义
1.2 CFT 冷屏多场耦合分析与实验研究
1.2.1 CFT 冷屏多场耦合分析
1.2.2 CFT 冷屏的热损耗分析与实验研究
1.3 研究现状
1.3.1 ITER 装置过渡馈线系统的研究现状
1.3.2 冷屏的国内外研究现状
1.4 研究课题的来源与内容
1.4.1 课题来源
1.4.2 论文的主要研究内容和组织结构
第二章 过渡馈线的设计准则与载荷工况的研究
2.1 引言
2.2 ITER 装置馈线系统介绍
2.2.1 ITER 装置简介
2.2.2 ITER 装置馈线系统的分类
2.2.3 ITER 装置馈线系统的结构组成
2.3 CFT 设计准则
2.3.1 机械强度设计准则
2.3.2 强度校核与应力判据准则
2.4 CFT 材料的选择
2.4.1 材料的选择原则
2.4.2 CFT 各部件的材料选择
2.5 CFT 载荷工况的研究
2.6 CFT 主要结构设计
2.6.1 CFT 设计流程
2.6.2 CFT 外管设计
2.6.3 CFT 冷屏设计方法的实验验证
2.7 本章小结
第三章 CFT 冷屏的结构设计与工艺实验研究
3.1 引言
3.2 CFT 冷屏的设计
3.2.1 冷屏冷却介质的选择
3.2.2 冷屏冷却管的设计
3.2.3 冷屏冷却回路的设计
3.2.4 冷屏面板的设计
3.3 CFT 冷屏工艺实验研究
3.3.1 冷屏的焊接工艺实验
3.3.2 冷屏冷却管的漏率检测实验
3.4 本章小结
第四章 CFT 冷屏电磁分析
4.1 引言
4.2 冷屏电磁分析有限元计算
4.2.1 冷屏电磁分析的理论基础
4.2.2 冷屏分析模型的建立
4.2.3 冷屏电磁分析的载荷工况
4.2.4 冷屏的稳态电磁场分析
4.2.5 冷屏的瞬态电磁场分析
4.3 基于毕奥—萨伐尔定律的理论计算
4.3.1 单根超导母线周围空间的磁场理论计算
4.3.2 一对超导母线周围空间的磁场理论计算
4.3.3 冷屏上涡流的计算
4.4 有限元计算与理论计算结果比较
4.4.1 稳态计算结果比较
4.4.2 瞬态计算结果比较
4.5 本章小结
第五章 CFT 冷屏热分析与耦合研究
5.1 引言
5.2 冷屏热分析的理论计算
5.2.1 冷屏上辐射热载的理论计算
5.2.2 冷屏二维热分析的理论计算
5.2.3 冷屏三维热分析的有限元计算
5.3 冷屏耦合场分析
5.3.1 耦合场概述
5.3.2 冷屏局部耦合研究
5.3.3 冷屏整体耦合研究
5.4 本章小结
第六章 CFT 冷屏热损耗分析与实验研究
6.1 引言
6.2 冷屏真空多层绝热研究
6.2.1 多层绝热结构材料的选择
6.2.2 多层绝热结构传热分析与计算
6.3 冷屏镀层辐射性能实验研究
6.3.1 不锈钢表面刷镀工艺实验
6.3.2 冷屏表面镀银发射率测试
6.4 本章小结
第七章 全文总结与展望
7.1 研究工作总结
7.2 论文主要创新点
7.3 今后研究工作展望
参考文献
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况
【参考文献】
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本文编号：2862973
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/2862973.html
