冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析.pdf

第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析傅智莹,李翠,李黎,阴实开,厉彦忠(西安交通大学能源与动力工程学院,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:针对屏蔽结构开启过程中,外界大量辐射热的传入导致的冷冻靶燃料冰层均匀性恶化问题,建立了带低温屏蔽罩和二级冷屏结构的六端直柱腔冷冻靶三维模型,基于B o u s s i n e s q假设和离散坐标(D O)辐射模型,利用F L U E NT软件进行数值模拟,探究了屏蔽结构开启过程靶丸表面温度场的瞬态响应规律,研究了二级冷屏结构及其位置对瞬态温度特性的影响。结果表明:低温屏蔽罩开启过程中,在外界辐射、黑腔内气体对流及充气管导热等因素的综合影响下,靶丸表面温度快速上升,靶丸表面最大温差则先迅速上升至峰值而后下降并趋于稳定;二级冷屏结构能有效阻挡外界高温辐射,使靶丸表面最高温度的温升降低了3 9.5%,靶丸表面温度均匀性改善了3 9%;缩小二级冷屏上下侧壁面的窗口或增大上下侧壁面与靶丸中心的距离,可以进一步降低靶丸表面温升、改善温度均匀性恶化程度;靶丸表面温度对二级冷屏前端上、下侧壁面位置变化的敏感程度远大于其他侧壁面。所得结果对屏蔽结构开启过程中靶丸表面温度场的控制具有指导意义。关键词:冷冻靶;瞬态响应;热屏蔽结构;数值模拟中图分类号:T B 6 6 1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 7 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 6 6-1 0T r a n s i e n tT e m p e r a t u r eC h a r a c t e r i s t i c so fC r y o g e n i cT a r g e t a n dA n a l y s i so nI n f l u e n c eo fF i x e dT h e r m a l S h i e l d sF UZ h i y i n g,L IC u i,L IL i,Y I NS h i k a i,L IY a n z h o n g(S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:Wh e nt h e c r y o g e n i c t h e r m a l s h i e l d i s r e m o v e d,t h e f u e l i c eu n i f o r m i t yo f c r y o g e n i c t a r-g e td e t e r i o r a t e ss i g n i f i c a n t l yd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fal a r g ea m o u n to fr a d i a n th e a tf r o mt h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t.F o r t h i sp r o b l e m,a t h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e df o ras i x-e n-t r a n c ec y l i n d e r-h o h l r a u mc r y o g e n i c t a r g e tw i t hr e m o v a b l ea n df i x e dt h e r m a l s h i e l d sb a s e do nt h eB o u s s i n e s qh y p o t h e s i sa n dt h ed i s c r e t ec o o r d i n a t e(D O)r a d i a t i o nm o d e l i nt h ep r e s e n ts t u d y.T h eF L U E NTs o f t w a r ei su s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oi n v e s t i g a t et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec a p s u l es u r f a c ed u r i n gt h et h e r m a l s h i e l dr e m o v a lp r o c e s s,a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo f t h es t r u c t u r ea n dp o s i t i o no f t h ef i x e dt h e r m a l s h i e l do nt h e s et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s.T h er e s u l t ss h o wt h a td u r i n gt h er e m o v a lo ft h ec r y o g e n i ct h e r m a ls h i e l d,t h et e m p e r a t u r eo f t h ec a p s u l es u r f a c e i n c r e a s e s r a p i d l yu n d e r t h ec o m b i n e de f f e c to f t h ee x t e r n a l r a-d i a t i o n,t h e c o n v e c t i o n i nt h eh o h l r a u ma n d t h e c o n d u c t i o nt h r o u g ht h e f i l l t u b e,w h i l e t h em a x i-m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo nt h ec a p s u l es u r f a c ef i r s t i n c r e a s e sr a p i d l yt ot h ep e a k,t h e nd e-*收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9。作者简介:傅智莹(1 9 9 8),男,硕士生;李翠(通信作者),女,副教授。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 6 0 2 1)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-0 5 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 2 5.1 2 1 3.0 0 4.h t m l 第8期傅智莹,等:冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n c r e a s e s,a n df i n a l l yt e n d s t ob es t a b l e.T h e f i x e dt h e r m a l s h i e l ds t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ee x t e r n a lh i g h-t e m p e r a t u r er a d i a t i o n,r e d u c i n gt h e t e m p e r a t u r er i s e i nt h em a x i m u mt e m p e r a-t u r eo nt h ec a p s u l es u r f a c eb y3 9.5%a n di m p r o v i n gt h eu n i f o r m i t yo fc a p s u l es u r f a c et e m p e r a-t u r eb y3 9%.R e d u c i n gt h es i z eo fw i n d o w s i nt h eu p p e ra n dl o w e rs i d ew a l l so r i n c r e a s i n gt h ed i s t a n c e sf r o mt h ew a l l s t o t h e c a p s u l e c e n t e r c a n f u r t h e r r e d u c e t h e t e m p e r a t u r e r i s eo f t h em a x i-m u mt e m p e r a t u r eo nt h ec a p s u l es u r f a c ea n ds u p p r e s s t h ed e t e r i o r a t i o no f t e m p e r a t u r eu n i f o r m i-t y.T h es e n s i t i v i t yo fc a p s u l es u r f a c et e m p e r a t u r et ot h ec h a n g ei np o s i t i o n so ft h ef r o n tu p p e ra n d l o w e r s i d ew a l l s o f t h e f i x e d t h e r m a l s h i e l d i sh i g h e r t h a n t h a t o f o t h e r s i d ew a l l s.T h e r e s u l t sa r e i n s t r u c t i v e f o r t h e c a p s u l e s u r f a c e t e m p e r a t u r e c o n t r o l d u r i n gc r y o g e n i c t h e r m a l s h i e l dr e m o v a l.K e y w o r d s:c r y o g e n i c t a r g e t;t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c s;t h e r m a l s h i e l d;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 聚变能作为一种丰富、清洁、高效的新能源而备受关注。目前,惯性约束核聚变(I C F)是最有希望实现可控核聚变的一种方法1-2。在国际上,进行I C F实验研究的装置有美国国家点火装置(N I F)3-6、法国兆焦激光装置(L M J)7和中国神光激光装置等8。在2 0 2 1年8月,N I F实现了1.3M J创纪录的聚变放能,但能量增益仅为0.7 29。而在2 0 2 2年1 2月,N I F点火成功,输入2.0 5M J能量,产出3.1 5M J聚变能,能量增益超过了1,得到了跨越式的突破1 0。冷冻靶是当前世界上实现I C F点火目标的首选靶型1 1。I C F通常采用的是间接点火方式1 2,即利用驱动器产生的高能量激光通过激光入射口(L E H)射入黑腔内,黑腔壁面吸收并转化成X射线,加热黑腔内靶丸的核聚变燃料,形成高温等离子体,进而使靶丸内爆,并实现核聚变反应。要使内爆过程能顺利进行,需要氘氚(D T)冰层足够均匀光滑来减轻由于流体动力学不稳定性(瑞利-泰勒不稳定性)所带来的影响1 3-1 4。为了实现I C F的成功点火,D T冰层必须均匀度大于9 9%,其表面粗糙度小于1m1 5-1 6。而获得高质量D T冰层的关键是控制靶丸表面的最大温差,当靶丸表面温度足够均匀时,才能获得均匀的D T冰层1 7。在制靶过程中,为提升燃料品质,通常使用常温屏蔽罩、低温屏蔽罩、硅臂屏蔽片和二级冷屏等多重屏蔽结构来削弱外界高温辐射对冷冻靶靶丸表面温度均匀性的影响1 8。低温屏蔽罩可以为冷冻靶提供相对均匀的低温环境,防止激光入射口处发生冷凝以及减少外界环境辐射对靶丸温度均匀性的影响,从而改善燃料冰层质量1 9-2 0。而打靶时,低温屏蔽罩需要被稳定的完全移除,以便于激光能够准确的投射至靶丸2 1。移除低温屏蔽罩会使冷冻靶完全暴露在外界环境中,随着外部辐射的大量进入,冷冻靶温度场受到强烈扰动,冰层质量严重下降,届时冰层质量将不足以实现对称内爆,造成点火失败2 2。研究表明,为在屏蔽罩开启后顺利打靶,靶丸外表面最高温度在屏蔽罩开启过程中升高值应小于0.2 5K2 3。二级冷屏作为一种固定式的热屏蔽结构,在制靶时,可以为冷冻靶提供更均匀的低温环境,且在屏蔽罩开启过程中,可以起到阻挡外界大量高温辐射,减少外界辐射影响的作用,但国内外学者对此相关研究鲜有报道。本文通过建立带低温屏蔽罩、二级冷屏和充气管结构的六端直柱腔全冷链冷冻靶三维模型,旨在探究低温屏蔽罩开启过程中,靶丸表面温度场的瞬态特性和二级冷屏结构及位置对瞬态温度特性的影响规律,为工程设计和物理实验提供理论指导。1 数值模拟方法1.1 物理模型本文选取建立的物理模型为六端直柱腔冷冻靶,其 前 端 结 构 参 考 俄 罗 斯 六 孔 注 入 冷 冻 靶 模型2 4。两者主要区别为前者黑腔结构为6个直圆柱型,而后者为6个圆锥型。全冷链模型图如图1所示,包括前端冷冻靶结构、支撑结构和热屏蔽结构3部分。冷冻靶的主要结构包括套筒(TMP)、镀金黑腔、靶丸、充气管、6个激光入射口(L EH)和诊断环等;支撑结构包括硅臂和导冷杆等;热屏蔽结构包括二级冷屏和低温屏蔽罩等。靶丸处于黑腔正中心位置,外表面直径为0.8 7mm,由表及里依次为厚度0.0 6mm的烧蚀层(G D P)、厚度0.0 3mm的D T冰层和直径为0.6 9mm的D T气体共3部分。与靶丸直接相连结构为充气管(材料为石英),其作用是向靶丸内充注燃料气体和支撑靶丸。充气管与靶丸相接处管径为0.0 1 3mm,管壁厚度为2m,与套筒接触处管径为0.1 9 2mm,管壁厚度为1m,充气管与套筒间填充2 5m厚度的低温胶层。规定如下:y轴上的靶丸外表面位置为南北两极;x y平面上的靶丸表面各点所组成的曲线为竖直76西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 特征线;x z平面上的靶丸表面各点所组成的曲线为赤道特征线。图1 冷冻靶模型示意图F i g.1S c h e m a t i cd i a g r a mo f c r y o g e n i c t a r g e tm o d e l 二级冷屏具体结构如图2所示,其材料为高纯无氧铜,其后端底部固定在导冷杆上,接触位置处有一定厚度的铟片。二级冷屏的前端部分上下侧壁面上的圆窗半径R为41 4mm,二级冷屏前端的各个壁面位置及其厚度如表1所示。当R=1 1mm、L=5.2mm、M=1 4.4mm、N=1 4.5mm为二级冷屏的基准位置,在基准位置下,对二级冷屏各侧壁面进行平移,研究二级冷屏结构位置所带来的影响,以远离靶丸中心点平移方向为正方向。在对一个方向的壁面进行平移时,固定其他壁面的位置,同时保持每个壁面的厚度不变。上述物理模型中所用到的不同材料的物性参数如表2所示。图2 二级冷屏结构示意图F i g.2S c h e m a t i cd i a g r a mo f f i x e dt h e r m a l s h i e l d表1 二级冷屏前端各壁面尺寸参数T a b l e1S i z ep a r a m e t e r so f f i x e dt h e r m a l s h i e l d壁面内壁面距靶丸中心垂直距离/mm厚度/mm上、下侧L=4.29.21.0 0左侧M=1 2.41 8.41.1 2前、后侧N=1 3.51 8.50.5 0表2 主要材料的物性参数(1 8K)T a b l e2P h y s i c a l p r o p e r t i e so fm a i nm a t e r i a l(1 8K)材料密度/(k gm-3)比热容/(Jk g-1K-1)导热系数/(Wm-1K-1)铜90 2 85.1 6 05 37 7 7.4 0 10 0单晶硅23 3 03.7 9 00 013 7 7.0 0 00 0石英26 6 44 3.3 2 00 00.3 1 00 0低温胶12 0 06 8.1 4 00 00.0 3 20 0氦气152 1 4.3 0 00 00.0 2 61 11.2 数值方法利用基于有限容积法的AN S Y SF l u e n t2 0 2 1R 1软件进行数值模拟计算。因L EH封口膜及低温屏蔽罩上所开的方形窗口和圆形窗口均为半透明介质,故在模拟中采用离散坐标(D O)辐射模型2 5。黑腔内的气体流动为自然对流,且气体密度和温度变化小,故使用B o u s s i n e s q假设,采用层流流动模型2 6。针对该瞬态数值模型,文献2 7 采用平面靶装置实验数据进行了实验验证,模拟计算得到的靶丸温度数据与实验所测结果相吻合,且相对误差小于1 0%,表明模型能较好预测靶丸的温度分布。由于全冷链的结构尺寸跨度大,为提升网格质量、降低网格数量,利用S h e l lC o n d u c t i o n处理精细结构如充气管管壁的壳热传导问题(兼顾径向和轴向的热传导)2 8。低温屏蔽罩开启前的稳态工况边界条件如下:低温屏温度为1 2 0K,低温屏上的方窗和圆窗透射率为0.7 5,外界辐射温度为3 0 0K;6个L EH封口膜透射率均为0.0 6;二级冷屏上窗口均为全透;导冷杆底部 温 度 为1 5K恒 温,硅 臂 上 加 热 块 恒 温1 8.6K;硅臂的表面发射率为0.6,套筒的表面发射率为0.0 5,硅臂与套筒间有厚度为1 5m低温胶层;黑腔内填充4 0k P a氦气;靶丸外表面发射率为0.9,因D T气体与D T冰层存在衰变热,分别给定内热源为5 0、5 00 0 0Wm-3。低温屏蔽罩开启后,冷冻靶暴露在外界环境的辐射中(环境温度为3 0 0K),在模拟低温屏蔽罩开启后的瞬态换热过程时,以低温屏蔽罩开启前的稳态工况作为初始时刻条件,将低温屏边界改变为外部辐射系数为1,外界辐射温度为3 0 0K,维持其他边界条件不变。瞬态计算时的时间步长为0.0 0 3 s。为评价二级冷屏各侧壁面在不同方向平移对最高温度的温升和靶丸表面温度均匀度的影响程度,引入温升敏感系数Tm a x与温度均匀系数Tm a x86 第8期傅智莹,等:冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n Tm a x=Ti,m a x-T0,m a xxi-x0(1)Tm a x=Ti,m a x-T0,m a xxi-x0(2)式中:xi为平移距离;Ti,m a x为平移距离xi时靶丸表面最高温度的温升;Ti,m a x为平移距离xi时 靶丸表面最大温差的峰值。1.3 网格无关性验证采用AN S Y SF l u e n tM e s h i n g软件对六端直柱腔冷冻靶模型进行网格划分,靶丸到屏蔽罩的尺寸跨度比较大,设置的网格尺寸最小为0.0 0 1mm,最大为1.6mm,增长率为1.2,由里到外平滑过渡,靶丸与充气管等结构及狭小区域面进行局部尺寸设置并加密。在屏蔽罩开启前的稳态工况下,对网格数从2 0 7万到3 9 2万进行计算,结果如图3所示,当网格数大于2 7 0万时,靶丸表面最高温度和最低温度趋于稳定。网格数量过小将会带来较大误差,数量过大会增加计算量,因此本文采用的网格数量为3 2 1万。图3 网格无关性验证F i g.3 G r i d-i n d e p e n d e n c ev e r i f i c a t i o n2 结果讨论与分析2.1 温度场瞬态响应特性分析2.1.1 冷冻靶温度场分布靶丸表面温度图如图4所示,屏蔽罩开启前,不同L E H位置的入射辐射强度如图5所示。由图4(a)可知,靶丸表面最高温度为1 8.9 1 00 5K,最低温度为1 8.9 0 9 0 8K,最大温差为0.9 7m K;由图4、图5可知,靶丸表面最高温度在南北极点附近,是因为外界辐射通过L E H(如图1所示)进入黑腔内,且上、下侧L E H的入射辐射强度大于其他侧,靶丸南北极所接收的辐射量最大。充气管的导热系数大于氦气的导热系数,传热效果更好,所以温度最低点出现在充气管与靶丸接触位置处。靶丸右侧(特征线0 位置附近)通过L E H正对的是温度较低的导冷杆,接收的辐射量较小,故温度较低。在两条特征线上极坐标角度为4 5、1 3 5、2 2 5、3 1 5 的4个点附近温度较低,是因为接收外界的辐射量较少,并且离套筒内壁面的距离最近,在初始时刻,套筒温度低于靶丸表面温度。(a)温度云图(b)竖直特征线(c)赤道特征线图4 靶丸表面温度图F i g.4S u r f a c e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f c a p s u l e96西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图5 屏蔽罩开启前不同L EH位置的入射辐射强度F i g.5I n t e n s i t yo f i n c i d e n tr a d i a t i o nw i t hd i f f e r e n tL EHl o c a t i o n sb e f o r e t h e t h e r m a l s h i e l dr e m o v a l图6 套筒和硅臂接触位置平均温度变化 F i g.6 V a r i a t i o no f t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r eo f t h ec o n t a c tp o s i t i o nb e t w e e nTMPa n ds i l i c o na r m2.1.2 低温屏蔽罩开启过程温度场瞬态响应特性低温屏蔽罩开启前,黑腔中靶丸内燃料的衰变热和进入腔内的外界辐射热通过氦气和充气管,经套筒传递至硅臂处,与硅臂所提供的冷流量进行热平衡。套筒与硅臂间的低温胶层,使得两者的接触面存在有温差,接触面上套筒的平均温度高于硅臂。套筒的材料为紫铜,硅臂的材料为高纯度单晶硅。在1 82 0K温度下,紫铜的密度和比热容均大于硅,因此相同的传热量下,硅臂的温升大于套筒的温升。在低温屏蔽罩开启瞬间,大量的高温外界辐射热传入硅臂和套筒,硅臂表面发射率(0.6)大于套筒表面发射率(0.0 5),硅臂吸收的外界辐射热大于套筒,接触面的硅臂侧温度迅速上升,上升速率高于套筒侧,如图6所示,在0.2 0 1s内接触面的硅臂侧平均温度高于套筒侧。套筒和硅臂接触位置热流密度变化如图7所示,可知这段时间内接触面的热流密度为正值,热量从硅臂侧涌入套筒侧,在0.0 2 1s时接触面间的温差最大,从而热流密度达到峰值。因硅臂加热块处提供的冷流量对硅臂侧进行冷却,在0.2 0 1 s后,硅臂侧温度低于套筒侧,热流密度方向变回原来初始时刻状态(热量从套筒流向硅臂),并最终趋于稳定值-1 2 1.1 8 34 0 78W/m2。图7 套筒和硅臂接触位置热流密度变化 F i g.7 V a r i a t i o no fh e a t f l u xo f t h ec o n t a c tp o s i t i o nb e t w e e nTMPa n ds i l i c o na r m低温屏蔽罩开启过程中靶丸表面最高温度随时间变化曲线如图8所示,在外界辐射热影响下,靶丸表面最高温度快速上升,随着硅臂冷流量逐渐增加,上升变缓,最终趋于稳定值1 9.3 3 42 7K,温升为4 2 4.2mK。靶丸表面最大温差变化如图9所示,可知低温屏蔽罩开启过程前期,靶丸内热源热量、外界辐射热量和导冷量之间的平衡被破坏,靶丸表面温度均匀性迅速恶化,在0.2 8 5s内,靶丸表面最大温差由原来的0.9 7mK升至5.7 4mK。随着冷流量和外界辐射热量的平衡,靶丸表面最大温差快速降低,最终趋于稳定值1.6 7mK。图8 靶丸表面最高温度变化F i g.8 V a r i a t i o no fm a x i m u ms u r f a c e t e m p e r a t u r eo f c a p s u l e07 第8期傅智莹,等:冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图9 靶丸表面最大温差变化 F i g.9 V a r i a t i o no fm a x i m u ms u r f a c e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f c a p s u l e不同时刻下,靶丸表面温度云图如图1 0所示,可知靶丸表面各点温度逐渐上升,与充气管接触位置,由最低温度点先变成最高温度点,最后再变回最低温度点。为更清晰地得到靶丸表面温度瞬态响应特性,图1 1展示了靶丸表面特征线上各点相对于特征线上最低温度点的过余温度以及特征线上的特征点相对于靶丸赤道特征线0 位置的过余温度的变化,可知在t为00.1 2s时,靶丸表面靠近套筒内壁的位置温升更为显著,成为最高温度点。充气管与套筒间的低温胶层使热量从套筒传递至充气管的时间相对滞缓,但因充气管相对较好的导热性能,靶丸表面与充气管接触位置处的温度迅速抬升,最低温度转移至赤道特征线0 位置。在t为0.1 2 0.2 8 5 s时,靶丸表面最高温度点转移至充气管处,且在t=0.2 8 5 s时达到最高过余温度值,之t=0.1 2st=0.2 8 5st=0.6 st=1.2 st=3s图1 0 不同时刻靶丸表面温度云图F i g.1 0S u r f a c e t e m p e r a t u r ec o n t o u r so f c a p s u l ea td i f f e r e n tm o m e n t s(a)竖直特征线(b)赤道特征线(c)特征线上的特征点图1 1 靶丸表面特征线上温度变化 F i g.1 1 V a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c l i n e so nt h es u r f a c eo f c a p s u l e后因硅臂冷流量的传入,其过余温度值快速降低。至t=0.9 0 9 s时,靶丸表面最高温度点转移至南北两极点附近,而最低温度点保持不变,在辐射和氦气自然对流换热作用下最高温度点和最低温度点温升幅度近乎一致,因此最大温差变化很小,曲线变为水平直线。在t=1.4 1 3s之后,最低温度点转移至与充气管接触位置,使得最低温度的增幅相对减小,最17西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 大温差曲线有所上升后再趋于稳定。由以上分析可知,低温屏蔽罩开启过程中,靶丸表面温度的变化除了受外界热辐射的直接影响外,黑腔和充气管结构也是重要影响因素。2.2 二级冷屏及其结构参数对瞬态温度特性的影响分析 针对低温屏蔽罩开启过程中靶丸表面温度控制的要求,应尽量降低靶丸表面温度的温升,同时应降低靶丸表面温度均匀性的恶化程度。为了满足要求,对二级冷屏结构与位置的影响进行探究,并寻求最佳的二级冷屏结构条件。2.2.1 二级冷屏作用分析有、无二级冷屏结构下,靶丸表面温度变化如图1 2所示。由图1 2可知:有、无二级冷屏结构对靶丸表面温度瞬态曲线影响显著,增设二级冷屏结构,使得靶丸表面最高温度温升由7 0 0.8m K降低至4 2 4.2m K,温升降低了3 9.5%;靶丸表面最大温差的峰值由9.4 1m K降为5.7 4m K,温度均匀性改善了3 9.0%。(a)最高温度(b)最大温差图1 2 有无二级冷屏结构下,靶丸表面温度变化F i g.1 2 V a r i a t i o no f s u r f a c e t e m p e r a t u r eo f c a p s u l ew i t ho rw i t h o u t f i x e dt h e r m a l s h i e l d2.2.2 冷屏窗口尺寸的影响不同二级冷屏上下侧壁面圆窗半径下,靶丸表面温度瞬态曲线如图1 3所示。在低温屏蔽罩开启过程中,减小圆窗半径,可以缩小外界高温辐射与硅臂正对的面积,使更少的外界辐射热传入硅臂,靶丸表面温升、靶丸表面最大温差的峰值随圆窗半径的减小而减小。(a)最高温度(b)最大温差图1 3 不同圆窗半径下,靶丸表面温度变化F i g.1 3 V a r i a t i o no f s u r f a c e t e m p e r a t u r eo f c a p s u l ew i t hd i f-f e r e n t r o u n dw i n d o wr a d i u s不同圆窗半径下,靶丸表面最高温度的温升和最大温差的峰值变化如图1 4所示。由图1 4可知,随着圆窗半径的缩小,靶丸表面最高温度的温升和最大温差的峰值都显著降低,以R=1 4mm为对照,当R为1 1、8、4mm时,靶丸表面最高温度的温升分别降低了2 2.6%、4 9.6%、7 5.1%,靶丸表面温度均匀性分别改善了2 5.2%、5 1.7%、8 7%。因此,在实际工程设计中,在条件允许的范围下,尽量缩小上下圆窗半径,有利于满足对低温屏蔽罩开启过程中靶丸表面温度的控制要求。27 第8期傅智莹,等:冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图1 4 不同圆窗半径下靶丸表面最高温度的温升和最大温差的峰值变化 F i g.1 4 V a r i a t i o no fTm a xa n dTm a xw i t hd i f f e r e n t r o u n dw i n d o wr a d i u s2.2.3 冷屏壁面位置的影响上下侧壁面平移时,靶丸表面温度变化如图1 5所示,不同壁面平移时,靶丸表面最高温度温升和最大温差的峰值变化如图1 6所示。(a)最高温度(b)最大温差图1 5 上下侧壁面平移时靶丸表面温度的变化 F i g.1 5 V a r i a t i o no f s u r f a c e t e m p e r a t u r eo f c a p s u l ea td i f f e r e n tu p p e ra n dl o w e r s i d ew a l lp o s i t i o n s(a)上下侧壁面(b)左侧壁面(c)前后侧壁面图1 6 不同壁面平移时,靶丸表面最高温度温升和最大温差的峰值变化F i g.1 6 V a r i a t i o no fTm a xa n dTm a xa td i f f e r e n tw a l l t r a n s l a t i o n由图1 5、1 6(a)可知,二级冷屏上下侧壁面平移时,靶丸表面温度瞬态特性曲线规律一致,壁面离中心点距离越远,对外界辐射热的阻挡效果越好,靶丸表面最高温度的温升和最大温差的峰值都有明显降低。当二级冷屏左侧、前后侧壁面平移时,由于除了上下侧壁面的圆窗,其他壁面的开窗尺寸均较小,靶丸表面的最高温度和最大温差瞬态曲线基本重合。由图1 6(b)、(c)可知,最大温差的峰值在这两个方37西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 向平移的变化均小于0.2mK,当左侧壁面向远离中心点平移2mm时,为最佳的位置点,而前后侧壁面在基准位置处为最优。不同壁面平移时的温升敏感系数和温度均匀系数如图1 7所示,可知上下侧方向的温升敏感系数为2 4.8 7 7 3Km-1,是左侧方向的1 2 7倍、前后侧方向9倍。上下侧方向的温度均匀系数为0.2 5 39Km-1,是左侧方向的5倍,是前后侧方向7倍。二级冷屏各个壁面结构在上下侧的平移方向上,对低温屏蔽罩开启过程靶丸表面温度场瞬态规律的影响最大,且远大于另外两个平移方向。在实际设计中,可通过增大二级冷屏上下侧壁面与靶丸中心处的距离,来降低低温屏蔽罩开启过程中靶丸表面的温升和温度均匀性的恶化程度。图1 7 不同壁面平移时的温升敏感系数和温度均匀系数F i g.1 7T e m p e r a t u r er i s e s e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e u-n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t a t d i f f e r e n tw a l l t r a n s l a t i o n3 结 论本文通过对带二级冷屏结构的全冷链六端直柱腔冷冻靶进行三维建模,采用了数值模拟的方法对低温屏蔽罩开启过程中靶丸表面温度的瞬态特性进行计算分析,重点研究了二级冷屏的结构及位置对靶丸表面温度瞬态特性的影响规律,得到如下结论。(1)低温屏蔽罩开启过程中,外界大量辐射热进入冷冻靶,靶丸表面温度快速上升,靶丸表面温度均匀性迅速恶化,随着硅臂传入套筒的冷流量逐渐增大,靶丸表面温度上升变缓并趋于稳定,靶丸表面最大温差在达到峰值后降低,最终趋于稳定。(2)二级冷屏结构能有效的阻挡低温屏蔽罩开启时部分外界的高温辐射热进入,使靶丸表面最高温度的温升降低了3 9.5%,靶丸表面温度的均匀性改善了3 9%。(3)靶丸表面温度最高温度的温升和靶丸表面最大温差的峰值随二级冷屏上下侧壁面的圆形窗口半径减小、上下侧壁面到靶丸中心处距离增大,均有明显降低。(4)二级冷屏前端上下侧壁面的位置变化对靶丸表面温度瞬态特性产生的影响远大于其他壁面。上下侧方向的温升敏感系数分别是左侧、前后侧方向的1 2 7倍、9倍,上下侧方向的温度均匀系数为左侧方向的5倍、前后侧方向的7倍。参考文献:1 MAT,P A T E LPK,I Z UM IN,e t,a l.O n s e to fh y-d r o d y n a m i c m i xi nh i g h-v e l o c i t y,h i g h l yc o m p r e s s e di n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o ni