HeⅡ傳輸參數(shù)特性與HeⅡ獲取研究.pdf

1、本文結(jié)合CGSE(Cryogemc Ground Support Eqmpmet，低溫地面支持設(shè)備)系統(tǒng)中有關(guān)He II的產(chǎn)生與輸送方面的工程應(yīng)用要求，針對He I和He II的物性、低溫液氦與He II的獲取模型、傳輸溫升模型進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬，并采用試驗(yàn)對部分理論分析結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，主要理論研究和試驗(yàn)工作如下： 一、He II粘度的不確定現(xiàn)象與分析。對目前已經(jīng)出現(xiàn)的關(guān)于測試He II粘度的試驗(yàn)進(jìn)行全面分類和系統(tǒng)研究，指

2、出He II表觀粘度測量結(jié)果的不確定性，即對測試條件的依賴性。唯一可以從理論角度出發(fā)對此現(xiàn)象進(jìn)行的定性解釋就是，He II內(nèi)部出現(xiàn)了超流體紊流和渦旋粘度，目前還沒有達(dá)到可以定量說明的水平。因此，嘗試?yán)矛F(xiàn)有的關(guān)于He II的低溫物理學(xué)理論和相關(guān)背景知識對幾種實(shí)驗(yàn)技術(shù)之間表現(xiàn)出來的差異進(jìn)行了分析。同時給出針對不同測試和應(yīng)用條件表現(xiàn)出來的具體粘度數(shù)值，為CGSE系統(tǒng)真實(shí)工程應(yīng)用條件下的粘度選用提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上提出在一定條件下便于工程應(yīng)用

3、的簡單估算He II粘度的數(shù)學(xué)方程。 二、利用分子動力學(xué)(MD)方法對LJ(Lennard-Jones)流體和量子流體的粘度研究。首次嘗試采用外加無量綱力場的方法，使流體形成穩(wěn)定的速度分布，進(jìn)而分析其粘度。無論是模擬的過程還是其結(jié)果都能夠提供一些很有價值的結(jié)論：如果要模擬較低的流體溫度，需要采用較大的外加力場才可以形成比較明顯的速度梯度。5000個分子的系統(tǒng)模擬得到的狀態(tài)點(diǎn)全部落入研究流體的超臨界區(qū)域。與超臨界氦相比，超臨界氬粘

4、度的模擬結(jié)果更接近于NIST(Nationallnstimte of Standards and Technology)提供的數(shù)據(jù)。對于18000個分子的系統(tǒng)，在給定的初始模擬溫度條件下，能否形成穩(wěn)定的速度分布對外加力場的數(shù)值大小更加敏感。對待不同的初始輸入條件，需要選取與之相應(yīng)的外加力場，才能夠形成穩(wěn)定的速度分布。而18000個分子系統(tǒng)的模擬結(jié)果同樣存在與5000級分子系統(tǒng)相同的問題，這是因?yàn)楹ぞ哂辛孔有?yīng)，而在LJ流體模型中，并未考

5、慮這種量子效應(yīng)。 在目前帶有量子效應(yīng)修正的分子動力學(xué)研究領(lǐng)域，還較少涉及傳輸參數(shù)的模擬。本文通過FH(Feynman-Hibbs)勢函數(shù)實(shí)現(xiàn)了LJ流體的量子效應(yīng)修正。計算發(fā)現(xiàn)，隨著計算溫度的降低，量子效應(yīng)的修正增強(qiáng)。采用量子效應(yīng)修正后，對系統(tǒng)的溫度場影響很大，必須在很小的外加力場作用下，才能使計算結(jié)果盡量收斂于輸入值，這些做法使模擬時間大大增長，由原來的20小時可以計算一個狀態(tài)點(diǎn)突然增加到7天甚至更長，不僅占用大量的計算機(jī)資源，

6、也大大限制了計算的狀態(tài)點(diǎn)數(shù)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用外加力場和量子效應(yīng)相結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)液氦甚至He II粘度的分子動力學(xué)模擬，使其可能不再依賴于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 三、理論研究He II獲取方案、減壓降溫法獲得不同溫度液氦和He II的液體獲得率。針對直接節(jié)流、預(yù)冷與節(jié)流相結(jié)合、抽真空以及抽真空與節(jié)流過程相結(jié)合這4種方案進(jìn)行了比較詳細(xì)的對比分析和計算。在綜合比較各方面因素而選定了抽真空方案后，根據(jù)減壓降溫法的基本原理，提出了用于預(yù)測

7、液體獲得率的雙守恒模型，全面考慮了過程中液氦和蒸發(fā)氦氣的焓變和溫度變化，并與前人提出的其他分析模型進(jìn)行了對比。在雙守恒模型的基礎(chǔ)上，對AMS-02中CGSE系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)He II獲取的三杜瓦，即主杜瓦、傳輸杜瓦與磁體杜瓦聯(lián)動運(yùn)行方案進(jìn)行了分析討論和計算，在已知部分設(shè)備信息的條件下，對磁體杜瓦的抽真空時間、1.8 K He II得率、補(bǔ)注時間進(jìn)行判斷和估算。 四、試驗(yàn)系統(tǒng)的建立。建立用于模擬CGSE系統(tǒng)主要設(shè)備和功能的試驗(yàn)系統(tǒng)，解

8、決系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的一些關(guān)鍵問題，如測試設(shè)備的信號線引出問題，發(fā)生系統(tǒng)阻塞事故后的系統(tǒng)復(fù)溫吹掃問題等。與自控技術(shù)人員聯(lián)合開發(fā)帶有擴(kuò)展功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)實(shí)時采集記錄軟件。對系統(tǒng)中的低溫設(shè)備進(jìn)行性能測試，包括液氦杜瓦的靜態(tài)蒸發(fā)率測試、低溫管路接頭和主要低溫管路的漏熱量測試，為真實(shí)系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行提供可靠的工程技術(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要有： (1)采用減壓降溫法，使用飽和液氦獲得工程用低溫液氦(2.2 K～4.2 K之間的飽和液

9、氦)和HeII，與本文提出的雙守恒模型對比分析其液體獲得率，驗(yàn)證本文提出的預(yù)測液體獲得率的雙守恒模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為探索減壓降溫法獲得He II并確定其液體率，獲得一定的理論基礎(chǔ)與工程經(jīng)驗(yàn)； (2)液氦輸送管路絕熱性能試驗(yàn)，確定四層絕熱結(jié)構(gòu)液氦管路的絕熱性能，為其工程應(yīng)用提供定量的分析數(shù)據(jù)；采用內(nèi)部充注液氮，利用質(zhì)量流量計測量其蒸發(fā)率的方法對CGSE系統(tǒng)中的兩根高真空多層絕熱低溫輸送管路PL3與PL14以及帶有冷蒸汽屏的PL

10、2進(jìn)行了低溫性能測試。 五、理論分析并計算He II強(qiáng)制流動特性。應(yīng)用He II狀態(tài)方程直接確定其Joule-Thomson系數(shù)。根據(jù)狀態(tài)方程法的計算結(jié)果擬合得到適合于工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)方程。在此基礎(chǔ)上對強(qiáng)制流動He II輸送系統(tǒng)Joule-Thomson(JT)效應(yīng)進(jìn)行研究。采用考慮到系統(tǒng)壓力梯度影響的較為復(fù)雜的模型方程對He II強(qiáng)制流動系統(tǒng)的溫度分布進(jìn)行求解，并與沒有考慮JT效應(yīng)的簡化微分方程的求解結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)，將由于單