双冷源低温系统冷却实验腔的传热分析

    脉冲强磁场低温系统是强磁场及低温等极端条件下科学研究的重要装置[1],系统中实验腔的冷却是为了实现和保持实验过程中样品区域的低温环境.针对我国首台脉冲强磁场装置[2],本课题采用制冷机和低温蒸汽双冷源冷却的方式来冷却实验腔,既简化了设备,又充分利用了系统中的低温冷源.

    1 研究对象及数理模型

    1.1 系统结构

    双冷源冷却实验腔的低温系统主要由实验腔、真空罩、GM制冷机组等部分组成,如图1所示,结构参数见表1.圆筒形真空罩吊装在一个装有液氮的杜瓦内,其中的液氮(20 L)用来冷却磁体.真空罩及杜瓦上盖会被低温氮蒸汽(冷源1)冷却,与之接触的实验腔上部也得到了冷却,同时,实验腔和GM制冷机(冷源2)的二级冷头通过导热铜片连接,实现冷量传输.系统运行之前,真空罩和实验腔内均要抽真空(真空度为1 mPa).

    在实验过程中,样品通过特制导杆导入到实验腔内直至与其底部接触,从而实现样品的低温状态,同时结合外部施加的强磁场,就可以对样品在强磁场及低温条件下的性质进行研究.

    1.2 数理模型

    双冷源冷却实验腔的物理模型是利用FLUENT中专用的几何建模和网格划分工具-Gambit来进行构形的[3].该物理模型如图2所示,由两部分组成:实验腔体(杜瓦上盖以下部分)和真空罩内壁面.网格划分采用cooper算法,并采用六面体网格,该物理模型共包含115 896个网格单元.

    建模过程中做了如下的简化假设:

    a.忽略真空罩壁面厚度(2 mm);

    b.实验腔和真空罩内部的稀薄空气的导热均略去不计;

    c.系统中真空罩内表面、实验腔外表面等组成一个封闭腔内多表面辐射系统,假设每个表面都是漫灰的,忽略冷头对真空罩和实验腔之间辐射换热的影响;

    d.计算过程中假设各种材料均为各向同性.

    在圆柱坐标系下,描述实验腔冷却过程的控制方程[4]为

    式中:λ为材料的热导率;ρ为材料的密度;c为材料的比热容;T为实验腔的温度;t为传热过程所经历的时间.

    实验腔内壁为绝热边界[5],

    实验腔上端与法兰盖直接接触,视其温度等于法兰盖底部温度:T=200 K(实验测定);液位以下,真空罩壁面温度等于液氮温度,液位以上壁面温度按线性化处理,为等温边界.实验腔外壁面,有式中q(z)为辐射换热量.计算过程中选用DO模型来计算系统中的辐射换热.

    制冷机冷量输入处为第二类边界条件,,式中q(T)为制冷机二级冷头提供的冷量.系统中所采用的制冷机二级冷头的冷量与温度变化关系见图3.