具有分布式狭缝冷却通道的高重复频率脉冲磁体高效冷却问题研究

High repetitive pulsed high magnetic field facility can improve the efficiency of the scientific experiments and has a wide application prospect. But the pulsed magnets employ large amount of fiber composite materials which have poor thermal conductivity to maintain high Structural strength, result in very low cooling efficiency of the magnet. The key point to improve the repetitive rate of pulsed magnet is to make full use of the space in the magnet to realize high efficient cooling of the pulsed magnet. This project proposed to adopt distributed mini cooling channels in the pulsed magnet. High efficient heat transfer will be achieved by optimizing the size and distribution of the cooling channel, forcing convection of the liquid nitrogen and increasing the heat transfer temperature difference. A liquid nitrogen boiling heat transfer experimental platform will be built to investigate the influence of the channel size, the wall temperature and the liquid nitrogen flow rate on the heat transfer property of the cooling channel. A simulation model of heat transfer in the cooling channel will be constructed, to explore the optimizing method of the cooling channel. The dynamic changing law of the magnet temperature will be studied to optimize the working temperature range of the magnet. A coordinate optimizing method involving the magnetic field and the repetitive rate of the magnet will be created. This project will rapidly improve the design and construction level of the high repetitive pulsed magnets. It has great significance to enhance the efficiency of scientific experiments under pulsed high magnetic field, and to promote the application of pulsed magnetic field in the military and industry.

高重复频率脉冲强磁场装置可大幅提高科学实验效率并具有广阔的应用前景，但脉冲磁体大量使用导热性能极差的纤维复合材料以提高结构强度，致使磁体冷却效率低下。如何利用磁体内部的有限空间，实现脉冲磁体的高效冷却，是提高脉冲磁体重复工作频率的关键。本课题提出在脉冲磁体中设置分布式的狭缝冷却通道，通过优化狭缝通道的尺寸和分布、强迫液氮对流以及增大换热温差等方式实现磁体的高效换热。拟建立狭缝通道中液氮沸腾换热实验装置，研究通道尺寸、壁面温度、液氮流速等对通道换热效果的影响，构建狭缝通道换热拟合模型，探索冷却通道优化设置的方法。研究脉冲磁体重复放电过程中温度分布的演变与调控规律，优化磁体工作温度区间，形成高重复频率脉冲磁体磁场强度和重复频率的协调优化设计方法。本项目将提高高重复频率脉冲磁体的设计和建造水平，对于提高脉冲强磁场下科学实验效率具有极其重要的意义，同时可大力推动脉冲强磁场在军事和工业上的应用。

脉冲磁体中的纤维复合材料加固层因导热性能极差而导致磁体冷却效率低，严重影响了科学实验效率并制约了脉冲强磁场技术在工业和军事上的应用。为充分利用磁体内部的有限空间，实现脉冲磁体的高效冷却，本课题提出了具有分布式的狭缝冷却通道的高重复频率脉冲磁体结构。搭建了狭缝通道中液氮沸腾换热实验装置，研究了通道尺寸、壁面温度、液氮流速等对通道换热效果的影响，研究表明，狭缝通道的换热效果要优于传统大空间池沸腾；在热流密度较小时，自然对流优于强制对流；而在热流密度较大时，强制对流可有效提高换热效率。特别是当自然对流已经无法保持温度平衡时，强制对流仍能在较高温差下保持温度平衡。基于实验数据进一步完善了脉冲磁体多场耦合模型中的温升与冷却仿真单元，可实现脉冲磁体升温与降温的全过程精确仿真。高精度的磁体温度分布计算大幅提高了脉冲磁体重复放电过程中的电阻计算准确度，从而实现了脉冲磁体温升与电源重复运行方案的协同优化，在国际上首次实现了最高频率50Hz、最高磁场45T的波形可调高重复频率脉冲磁场。.项目成果成功应用于脉冲强磁场大科学装置60T快冷却用户磁体，将磁体的冷却时间缩短为原来的1/5，大大提高了装置服务用户的效率。本项目研制的40T快重复频率脉冲磁体，将率先应用于大功率太赫兹回旋管系统中，满足大功率太赫兹波源对脉冲磁场高重复频率的需求。此外，本项目所研发的脉冲磁体高效冷却技术还可应用于电磁成形、电磁焊接、整体充磁等工业领域。.项目资助发表SCI论文4篇，待发表论文1篇。培养硕士研究生3名，其中已毕业硕士1名。项目直接经费21万元，已累计支出17.34万元，各项支出基本与预算相符，结余3.66万元将用于本项目后续研究支出。