射频四极（RFQ）加速器多场耦合分析与冷却性能研究
发布时间：2021-03-23 19:19
射频四极（Radio Frequency Quadruple简称RFQ）加速器是直线加速中最常用的加速结构。RFQ加速器在线运行时,腔体内表面的射频功率耗散使加速器腔体发热变形,产生频率漂移,从而影响束流品质和传输效率。对于连续波（Continuous wave简称CW）工作条件,RFQ加速器的热稳定性是在线调试过程中的一个重要问题。RFQ加速器的冷却系统的作用是保持腔体结构的热稳定性,限制腔体结构的变形,同时可以调谐加速器腔体的频率。对RFQ加速器的冷却过程的研究是很有必要的,它可以用来模拟RFQ腔体的温升、变形和频率漂移。从传热学和流体动力学的角度来看,RFQ加速器腔体的冷却过程是加速器的热环境、腔体结构与冷却介质之间的传热与冷却介质内部的流动传热三方面相互耦合的复杂过程。因此,针对RFQ加速器腔体受热冷却过程,结合流体流动运动来研究这一问题可以得到更加完整的分析结果,也能够通过冷却流体的温度参数更加直观地看到受热冷却过程的冷却效果,对RFQ加速器的稳定运行和加速器的事故预防都具有现实指导意义。本文针对CW RFQ加速器的热稳定性问题,结合了流体动力学理论对该问题开展了详细的三维多...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四杆型加速器
图1.2四杆型加速器针对四杆型RFQ加速器和四翼型RFQ加速器,国内外众多研究者的研究方式主要包括模拟研究和实验研究[8-10][11-13]。此外,由于RFQ加速器系统涉及多学科交叉,因此影响加速器性能的因素具有多方面性,近年来RFQ加速器在腔体的结构设计、腔体的加工工艺、加速器控制以及束流调试等方面都取得了实质性的进展。RFQ加速器相关的很多学科方向,例如加速器腔体的热稳定性[14-16],RFQ加速腔的结构及性能设计[17-18],RFQ加速器的水冷系统[19-22],RFQ加速器的机械制造以及加工等[23-33]都是人们所关注的热点。从文献中可以看到,在腔体加工的焊接工艺[34-37],RFQ加速器的射频、控制系统[38-44],调谐、测量以及测试[45-50]等相关的学科上,很多学者做过相关的分析研究。为了提高RFQ加速器的性能,研究人员针对加速器的附属部件,包括耦合器、调谐器和束流调试等方面也开展了研究[51-53]。
由文献[56,61-62]可知,意大利的IFMIF-EVEDA RFQ是根据腔体横向和纵向的对称性选取了腔体四分之一结构建立模型进行二维和三维的数值模拟热分析。在二维分析中,通过SUPERFISH计算得到功率负载,而在三维分析中则使用Ansoft HFSS。通过二维热结构分析获得冷却管道布局的初步设置,对冷却通道进行优化,通过保持电极通道冷却并且改变通道温度,获得了必要的冷却范围。在三维模拟中考虑单一的通道流形并对其进行简单的流体动力学分析,针对二维和三维的热-结构模拟结果进行比较,以验证二维初步设计考虑的有效性。同时,建立实验台如图1.4所示,通过热电阻使腔体一个电极表面产生4 W/cm2的热通量,冷却水质量流量约21 l/min,平均水温15℃。通过红外热相机采集腔体的温度分布,实验结果与模拟结果趋势吻合良好,如图1.5所示。图1.5沿电极方向的实验与模拟温度对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑热流固多物理场耦合的圆周密封特性[J]. 闫玉涛,魏荣,胡广阳,王富超,张立静. 航空动力学报. 2020(02)
[2]3×3棒束通道内蒸汽对流换热特性数值分析[J]. 周璇,张震,昝元锋. 核动力工程. 2020(01)
[3]单喷管火箭燃气导流环境下的噪声分析[J]. 盛英华,沈林,曹文斌,乐贵高,邢成龙. 南京理工大学学报. 2019(02)
[4]导风叶片对涡流空气分级机内流场的影响[J]. 任成,刘家祥,于源. 化工进展. 2019(09)
[5]基于CFD方法模拟舰船拖拽特性研究[J]. 熊海生. 舰船科学技术. 2019(08)
[6]国际能源科技发展动态研判与战略启示[J]. 陈伟,郭楷模,岳芳. 中国科学院院刊. 2019(04)
[7]核能综合利用研究现状与展望[J]. 王建强,戴志敏,徐洪杰. 中国科学院院刊. 2019(04)
[8]世界主要发达国家能源政策研究与启示[J]. 边文越,陈挺,陈晓怡,葛春雷,惠仲阳,杨辉. 中国科学院院刊. 2019(04)
[9]RFCC沉降器内流动及传热过程的数值模拟?[J]. 刘英杰,卢春喜. 高校化学工程学报. 2019(02)
[10]LEAF装置RFQ加速器控制系统设计[J]. 刘禹廷,郭玉辉,刘海涛,孙良亭,程艺. 核电子学与探测技术. 2019(02)
博士论文
[1]中国材料辐照装置CMIF前端射频四极场加速器的设计与测试[D]. 李晨星.兰州大学 2018
[2]低能量强流高电荷态RFQ加速器的研究[D]. 马伟.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[3]粒子加速器中RFQ加速结构的多物理场耦合研究[D]. 王静.兰州理工大学 2016
[4]液化气体的热分层及爆沸机理研究[D]. 石剑云.大连理工大学 2015
[5]热环境下液化气体储罐热质耦合响应机制研究[D]. 任婧杰.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]微通道冷却器内热流固耦合过程的数值模拟[D]. 潘娜娜.大连理工大学 2016
[2]CW RFQ加速器水冷分析与设计[D]. 曾加.清华大学 2015
本文编号：3096291
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四杆型加速器
图1.2四杆型加速器针对四杆型RFQ加速器和四翼型RFQ加速器,国内外众多研究者的研究方式主要包括模拟研究和实验研究[8-10][11-13]。此外,由于RFQ加速器系统涉及多学科交叉,因此影响加速器性能的因素具有多方面性,近年来RFQ加速器在腔体的结构设计、腔体的加工工艺、加速器控制以及束流调试等方面都取得了实质性的进展。RFQ加速器相关的很多学科方向,例如加速器腔体的热稳定性[14-16],RFQ加速腔的结构及性能设计[17-18],RFQ加速器的水冷系统[19-22],RFQ加速器的机械制造以及加工等[23-33]都是人们所关注的热点。从文献中可以看到,在腔体加工的焊接工艺[34-37],RFQ加速器的射频、控制系统[38-44],调谐、测量以及测试[45-50]等相关的学科上,很多学者做过相关的分析研究。为了提高RFQ加速器的性能,研究人员针对加速器的附属部件,包括耦合器、调谐器和束流调试等方面也开展了研究[51-53]。
由文献[56,61-62]可知,意大利的IFMIF-EVEDA RFQ是根据腔体横向和纵向的对称性选取了腔体四分之一结构建立模型进行二维和三维的数值模拟热分析。在二维分析中,通过SUPERFISH计算得到功率负载,而在三维分析中则使用Ansoft HFSS。通过二维热结构分析获得冷却管道布局的初步设置,对冷却通道进行优化,通过保持电极通道冷却并且改变通道温度,获得了必要的冷却范围。在三维模拟中考虑单一的通道流形并对其进行简单的流体动力学分析,针对二维和三维的热-结构模拟结果进行比较,以验证二维初步设计考虑的有效性。同时,建立实验台如图1.4所示,通过热电阻使腔体一个电极表面产生4 W/cm2的热通量,冷却水质量流量约21 l/min,平均水温15℃。通过红外热相机采集腔体的温度分布,实验结果与模拟结果趋势吻合良好,如图1.5所示。图1.5沿电极方向的实验与模拟温度对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑热流固多物理场耦合的圆周密封特性[J]. 闫玉涛,魏荣,胡广阳,王富超,张立静. 航空动力学报. 2020(02)
[2]3×3棒束通道内蒸汽对流换热特性数值分析[J]. 周璇,张震,昝元锋. 核动力工程. 2020(01)
[3]单喷管火箭燃气导流环境下的噪声分析[J]. 盛英华,沈林,曹文斌,乐贵高,邢成龙. 南京理工大学学报. 2019(02)
[4]导风叶片对涡流空气分级机内流场的影响[J]. 任成,刘家祥,于源. 化工进展. 2019(09)
[5]基于CFD方法模拟舰船拖拽特性研究[J]. 熊海生. 舰船科学技术. 2019(08)
[6]国际能源科技发展动态研判与战略启示[J]. 陈伟,郭楷模,岳芳. 中国科学院院刊. 2019(04)
[7]核能综合利用研究现状与展望[J]. 王建强,戴志敏,徐洪杰. 中国科学院院刊. 2019(04)
[8]世界主要发达国家能源政策研究与启示[J]. 边文越,陈挺,陈晓怡,葛春雷,惠仲阳,杨辉. 中国科学院院刊. 2019(04)
[9]RFCC沉降器内流动及传热过程的数值模拟?[J]. 刘英杰,卢春喜. 高校化学工程学报. 2019(02)
[10]LEAF装置RFQ加速器控制系统设计[J]. 刘禹廷,郭玉辉,刘海涛,孙良亭,程艺. 核电子学与探测技术. 2019(02)
博士论文
[1]中国材料辐照装置CMIF前端射频四极场加速器的设计与测试[D]. 李晨星.兰州大学 2018
[2]低能量强流高电荷态RFQ加速器的研究[D]. 马伟.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[3]粒子加速器中RFQ加速结构的多物理场耦合研究[D]. 王静.兰州理工大学 2016
[4]液化气体的热分层及爆沸机理研究[D]. 石剑云.大连理工大学 2015
[5]热环境下液化气体储罐热质耦合响应机制研究[D]. 任婧杰.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]微通道冷却器内热流固耦合过程的数值模拟[D]. 潘娜娜.大连理工大学 2016
[2]CW RFQ加速器水冷分析与设计[D]. 曾加.清华大学 2015
本文编号：3096291
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