Введение к работе
Актуальность проблемы. Для осуществления современных экспериментов в фундаментальной физике и исследований в области управляемого термоядерного синтеза, требуется проектировать уникальные по эксплуатационным, габаритным и стоимостным параметрам электрофизические установки со сверхпроводниковыми магнитными системами. В них используют низкотемпературные сверхпроводники, главным образом NbTi, Nb3Sn, NbjAl, рабочие температуры которых могут быть обеспечены только охлаждением жидким или сверхкритическим Не-1 либо сверхтекучим Не-И. К сожалению, высокотемпературная сверхпроводимость на сегодняшний день еще не нашла крупномасштабного применения в подобных установках. Стоимость крупкой электрофизической установки со сверхпроводящей магнитной системой (СПМС) на треть и более определяется стоимостью ее системы криогенного обеспечения (СКО), что определяет важность оптимального выбора концепции охлаждения с учетом глубокого анализа взаимовлияния системы криогенного . обеспечения и сверхпроводящей магнитной системы.
Накопленный опыт проектирования и эксплуатации электрофизических установок типа ТОКАМАК позволил перейти к стадии инженерного проектирования экспериментальной термоядерной установки ITER (ИТЭР), на которой ожидается получить положительный КПД. Создание таких дорогих и сложных установок требует привлечения экономических ресурсов и интеллектуального потенциала всех заинтересованных стран и подразумевает проведение значіггельного объема научно-исследовательских и расчетных работ.
Недостаточная полнота проработки столь крупных проектов может на этапе itx реализации обернуться потерями, значительных денежных средств, поэтому тщательность проектирования всех элементов установки с глубоким учетом их функциональной взаимосвязаниости крайне вшхиа. Чрезвычайная дороговизна столь крупных установок сильно ограничивает возможности в проведении физических экспериментов и моделирования на научно-исследовательской стадии проектирования. По этой црзчине становятся актуальными методы математического моделирования и разработка соответствующих математических моделей, которые, где это возможно, способны исключить физическое моделирование. Это тем более актуально из-за большого процента отбраковки предварительных вариантов.
Таким образом, математическое моделирование сложных физических процессов и инженерно-технических объектов позволяет не только глубже понять их природу, провести всестороннюю оптимизацию конструкции, но и существенно удешевить саму стадию научно-исследовательских и расчетно-конструкторских работ над проектом.
Сверхпроводящая магнитная система установки ITER и ее система криогенного обеспечения должны эффективно м надежно функционировать при всех режимах работы установки. Это предполагает, что при ее проектировании должен быть решен широкий круг соответствующих теплофизических проблем:
обеспечение стабильности сверхпроводящего (СП) кабеля к механическим и электромагнитным возмущениям;
анализ термогидравлического поведения СП кабеля при его необратимом переходе в нормальное состояние;
анализ аварийных ситуаций - короткие замыкания в сверхпроводниковой обмотке, поломки в криогенной арматуре (разрыв трубопровода, нарушения работы клапанов и т.п.), потеря вакуума;
оптимизация захолаживания и отогрева СП магнитной системы;
обеспечение требуемого режима работы СП магнитной системы совместно с системой ее криогенного обеспечения в условиях номинальных нагрузок;
анализ работы СП магнитной системы и системы ее криогенного обеспечения при переходе СП обмоток в нормальное состояние;
оптимизация параметров и управление работой системы криостатирования.
Поэтому разработка соответствующих математических моделей, программного обеспечения, методик и алгоритмов расчетов и исследование с их помощью перечисленных проблем является актуальной задачей.
Цель работы. Диссертационная работа имеет следующие цели:
в разработка математических моделей и реализующего их эффективного программного обеспечения, создание расчетных методик и алгоритмов для комплексного анализа термогидравлических процессов в элементах сверхпроводящих магнитных систем и систем их криогенного обеспечения при различных эксплуатационных условиях и рехашах работы электрофизической установки;
проведение на базе предложенных методик многовариантных оптимизационных расчетов термогидравлических параметров отдельных сверхпроводников и сверхпроводящих магнитных систем совместно с системами их криогенного обеспечения;
выдача рекомендаций по выбору:
термодинамических параметров криогенной установки с учетом реальных тепловых нагрузок;
геометрических характеристик каналов охлаждения в элементах силовых конструкций;
криогенной арматуры;
эффективных алгоритмов управления нагрузкой на криогенную * установку.
Научная понизил и результаты, выносимые на защиту. В диссертацан получены следующие новые результаты:
разработан расчетный инструмент - алгоритмы и реализующая нх программа VINCENTA, в основе которой лежат базовые математические модели для отдельных элементов сверхпроводниковой. магнитной и криогенной систем, с помощью которых можно "собирать" комбинированные расчетные модели, адекватные формулируемой проблеме;
на базе разработанных алгоритмов предложеїш методики расчетов нестационарных термогндравлкческих процессов как в простых открытых системах (процессы в отдельно взятом СП кабеле), так и в сложных замкнутых системах, включающих детальное описание сверхпроводящей магнитной системы (СПМС) и системы криогенного обеспечения (СКО);
численно исследованы стабильность и необратимый переход в нормальное состояние (квенч) СП кабеля типа кабель-в-кожухе (СІС -cable-in-conduit) с центральным каналом с учетом эффектов поперечного тепло- к массообмена между двумя гелиевыми потоками на основе разработанной автором многоканальной (многопоточной) модели-лроводников;
» численно и аналитически обоснована предложенная и развитая М.В. Желамским методика измерения потерь в сверхпроводниках типа кабель в кожухе с центральным каналом на основе СВЧ зондирования;
для условий нормальной работы термоядерной установки ИТЭР
разработана детальная расчетная модель СП магнитной системы
тороидального поля и системы ее криогенного обеспечения, содержащая два замкнутых контура охлаждения с насосами, *и теплообменниками (отдельно для СП обмотки и силового корпуса}! На разработанной модели проведено комплексное численное исследование термогидравлического поведения системы охлаждения с учетом процессов теплопроводности в обмотке, конструктивных особенностей и импульсных тепловыделений;
с использованием детальных термогидравлических моделей СП
обмоток тороидального поля, центрального соленоида ИТЭР и систем
их криогенного обеспечения была численно исследована процедура
регулирования тепловой нагрузки, передаваемой на криогенную
установку с помощью управления двумя вентилями - байпасным и
контрольным (предложено автором совместно с В.В. Калининым).
Показано, что с помощью этой процедуры достигается эффективное
сглаживание циклической импульсной *.ющности, выделяемой в
магнитной системе, при ее передаче па криогенную систему, которая в
итоге воспринимает практически постоянную, среднюю за цикл
мощность;
Итак, на защиту выносятся разработанные математические модели, реализующий их комплекс программ VINCENTA, методики и алгоритмы расчетов, а также результаты моделирования.
Практическая ценность. Приведенные,, в диссертации исследования и математическое обеспечение нашли применение:
* при анализе терыогвдравлического поведения СП кабелей для
магнитной системы ИТЭР при воздействии на них импульсных
электромагшггных н механических нагрузок, что позволило обосновать
правильность выбора конструкции кабелей и параметров
криостатнровання;
о при обосновании экспериментальной СВЧ методики измерения потерь в циркуляционных проводниках с выделенным каналом и анализа экспериментальных результатов по СВЧ диагностике необратимого перехода таких проводников в нормальное состояние (автор измерительной методики МВ.Желамский), что позволило подтвердить правильность методики измерения;
о в разработке .детальной термогидравлячеокой модели модельной катушки центрального соленоида (МКЦС) и системы ее криогенного обеспечения, позволяющей проводить предварительный анализ возможных ответных реакций системы охлаждения этой экспериментальной установки на изменение режимных параметров ее
работы и служить дополнительным инструментом исследователя при проведении на ней физических экспериментов;
в разработке, обосновании и оптимизации конструкции СП обмотки тороидального поля установки ИТЭР и системы ее криостатирования;
в разработке способа регулирования тепловой нагрузки на криогенную установку (поддержание ее постоянства) с помощью вентилей и выявлении закономерностей термогидравлнческого поведения различных магнитных систем ИТЭР при таком регулировании в условиях действия циклической импульсной нагрузки.
Кроме того, программный пакет VINCENTA использовался в качестве базового программного обеспечения при разработке вычислительного кода STABLOS, предназначенного для анализа стабильности современных СП кабелей на основе многостадийных скруток СП и медных жил с учетом эффектов неравномерности распределения электрического тока по жилам и потока гелия между жил кабельного пространства. Программный пакет VINCENTA является также составной частью программного комплекса GLORY, созданного на основе программного комплекса КОМРОТ, предназначенного для трехмерного численного моделирования магнитных, электрических, тепловых и токовых полей с использованием методз конечных элементов.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывачись на Совещаниях рабочих групп ИТЭР, семинарах НКИЭФА, СПбТТУ, ИФВЭ, ИАЭ, конференциях по прикладной сверхпроводимости ASC96 (Pittsburgh, USA 1996) и по магнитной технологии МТ-16 (Ponte Vedra Beach, USA 1999), на симпозиуме по ядерным технологиям SOFT-20 (Marseille, France, 1998), а также опубликованы в 7 работах.
Р5ъем я структура диссертации. Содержание работы изложено на 153 машинописных листах, состоит из введения, трех глав и заключения, а таюке содержит 19 таблиц и 85 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 183 наименований.
