HeⅡ传输参数特性与HeⅡ获取研究-制冷及低温工程业毕业论文.docx

上海交通大学博士学位论文 上海交通大学博士学位论文 摘要 在目前带有量子效应修正的分子动力学研究领域，还较少涉及传输参数的模 拟。本文通过FH(Feynman．Hibbs)势函数实现了U流体的量子效应修正。计 算发现，随着计算温度的降低，量子效应的修正增强。采用量子效应修正后，对 系统的温度场影响很大，必须在很小的外加力场作用下，才能使计算结果尽量收 敛于输入值，这些做法使模拟时间大大增长，由原来的20小时可以计算一个状 态点突然增加到7天甚至更长，不仅占用大量的计算机资源，也大大限制了计算 的状态点数量。结果发现，采用外加力场和量子效应相结合的方式，可以实现液 氦甚至He II粘度的分子动力学模拟，使其可能不再依赖于复杂的实验技术。 三、理论研究He II获取方案、减压降温法获得不同温度液氦和He II的液 体获得率。针对直接节流、预冷与节流相结合、抽真空以及抽真空与节流过程相 结合这4种方案进行了比较详细的对比分析和计算。在综合比较各方面因素而选 定了抽真空方案后，根据减压降温法的基本原理，提出了用于预测液体获得率的 双守恒模型，全面考虑了过程中液氦和蒸发氦气的焓变和温度变化，并与前人提 出的其他分析模型进行了对比。在双守恒模型的基础上，对AMS．02中CGSE 系统如何实现He II获取的三杜瓦，即主杜瓦、传输杜瓦与磁体杜瓦联动运行方 案进行了分析讨论和计算，在己知部分设备信息的条件下，对磁体杜瓦的抽真空 时间、1．8 K He II得率、补注时间进行判断和估算。 四、试验系统的建立。建立用于模拟CGSE系统主要设备和功能的试验系统， 解决系统中可能出现的一些关键问题，如测试设备的信号线引出问题，发生系统 阻塞事故后的系统复温吹扫问题等。与自控技术人员联合开发带有扩展功能的数 据采集系统和数据实时采集记录软件。对系统中的低温设备进行性能测试，包括 液氦杜瓦的静态蒸发率测试、低温管路接头和主要低温管路的漏热量测试，为真 实系统的调试和运行提供可靠的工程技术数据和经验。试验内容主要有t (1)采用减压降温法，使用饱和液氦获得工程用低温液氦(2．2 K-4．2 K之间 的饱和液氦)和He II，与本文提出的双守恒模型对比分析其液体获得率， 验证本文提出的预测液体获得率的双守恒模型的准确性和可靠性，为探索 减压降温法获得He II并确定其液体率，获得一定的理论基础与工程经验； (2)液氦输送管路绝热性能试验，确定四层绝热结构液氦管路的绝热性能，为 其工程应用提供定量的分析数据；采用内部充注液氮，利用质量流量计测 上海交通大学博士学位论文 上海交通大学博士学位论文 摘要 量其蒸发率的方法对CGSE系统中的两根高真空多层绝热低温输送管路 PL3与PLl4以及带有冷蒸汽屏的PL2进行了低温性能测试。 五、理论分析并计算He II强制流动特性。应用He II状态方程直接确定其 Joule．Thomson系数。根据状态方程法的计算结果拟合得到适合于工程应用的经 验方程。在此基础上对强制流动He II输送系统Joule．Thomson(JT)效应进行研 究。采用考虑到系统压力梯度影响的较为复杂的模型方程对He II强制流动系统 的温度分布进行求解，并与没有考虑JT效应的简化微分方程的求解结果进行比 较。发现，将由于单纯的JT效应引起的温升与简化方程的结果进行叠加之后， 结果与考虑压力梯度的复杂方程的结果十分相似，从而简化复杂工程的求解。 本文针对He II传输参数特性、低温液氦传输管路性能和He II获得三方面 内容，从理论分析和试验研究两方面展开，得出了一些有意义的结论，为液氦和 He II的大型工程应用提供了一定的理论准备和技术基础。 关键词：液氦，超流氦，粘度，分子动力学，焦耳．汤姆逊效应，强 制流动 上海交通大学博士学位论文STUDY 上海交通大学博士学位论文 STUDY ON THE TRANSFER PARAMETERS AND OBTAINING OF HE¨ ABSTRCT The key technologies of the CGSE system are of the filling and transferring of He I．and the achieving of 1．8 K He II by vacuum pumping．It is necessary to set up a simulating experimental system because the practical CGSE system is SO complicated and large．111e experimental system will simulate the flow process of He I in re