基于微结构低温工程学的高温超导磁体热输运机理研究

基于低温下微结构三维固体接触界面层的新概念，综合超导磁体、导冷结构热物性和磁、热耦合场特性进行直接冷却高温超导磁体热输运特性研究，采用激光光热实验的新方法研究微结构低温固体接触界面层的能量传输及其热特性，以界面特性和磁体热物性实验为基础，结合超导电工学、低温工程学、传热学观点和有限元理论建立磁体热分析的数学物理模型，通过数值模拟和仿真对超导磁体热扩散、温度场和热稳定性进行分析，揭示传导冷却高温超导磁体的微观和宏观热输运机理，为高温超导磁体的热设计和分析提供科学依据，是超导技术在电力能源、核聚变和国防装备领域应用关注的重要科学问题。

传导冷却磁体的热稳定性是关系到高温超导磁体实际应用的重要问题，高温超导磁体实际应用中的关键技术之一是磁体的有效冷却和运行中的温度稳定，传导冷却具有结构紧凑重量轻、运行维护方便和安全性好等优点，但磁体冷却时固体传导接触面之间的界面热阻、磁体和导冷的结构和物性参数、运行中的磁热耦合等均是影响HTS磁体冷却和温度稳定的因素，本研究首先，基于界面热阻特性对传导冷却高温超导磁体热输运进行了深入研究，建立了超导磁体传导冷却热阻网络图，提出采用等效模型方法模拟界面热阻，通过数值计算得到了相关结果；之后，提出采用改进的CMY模型预测高温超导材料YBCO和导冷材料Cu之间的界面热阻，搭建了激光光热法测量界面热阻的实验平台，进行了YBCO和Cu之间的界面热阻实验研究，得到不同边界条件下两者之间的界面热阻值；将火积和火积耗散理论引入超导界面热阻的研究中，建立了相应的数学模型，进行了超导磁饼间热传导的火积效率计算。基于分子动力学对高温超导磁体的比热容进行了数值模拟，得到了20～40K温区超导Bi-2223的比热容；采用激光光热方法对超导带材Bi-2223热扩散率进行了测试；基于轴向稳态热流法和脉冲量热法对超导磁饼Bi-2223热导率和比热容进行了测试。最后，在界面热阻和超导材料热物性理论和实验研究的基础上，采用有限元方法对多物理场作用下高温超导磁体热输运特性进行了研究，探讨了稳态负荷、局部负荷、间断励磁和连续励磁对磁体的热扰动及其热传输特性，求解了各种工况下磁体的最高温度和轴向温差，得出了不同负荷情况下磁体温度场云图和响应曲线，分析了高温超导磁体传导冷却热输运机理。