水冷磁体线圈对流换热系数确定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种水冷磁体线圈对流换热系数确定方法及系统，包括在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度；在有限元分析软件中对水冷磁体线圈的三维模型模拟通入所述设定电流，并通过设定不同的壁面粗糙度，仿真得到不同壁面粗糙度所对应的线圈的模拟平均温度，线圈的实测平均温度在线圈的模拟平均温度的最小值与最大值之间；将不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数；将线圈的实测平均温度代入拟合函数，得到线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度；将线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入有限元分析软件中进行模拟，得到线圈对流换热系数；本发明专利技术提高了求解换热系数的精度与效率

【技术实现步骤摘要】
水冷磁体线圈对流换热系数确定方法及系统


[0001]本专利技术涉及水冷磁体
，具体涉及一种水冷磁体线圈对流换热系数确定方法及系统
。

技术介绍

[0002]水冷磁体是稳态强磁场实验装置（
Steady High Magnetic Field Facility
，
SHMFF
）的重要组成部分，由于其具有磁场强度高，励磁速度快等特点，成为了备受关注的极端条件实验平台
。
麻省理工学院的物理学家
Francis Bitter
首次提出带孔圆环片的概念，一种有望产生更高磁场的全新方式，因此后来将这种带孔圆环导体片命名为
Bitter
片
。Bitter
片和绝缘片是组成水冷磁体线圈的两个基本元素，
bitter
片上布满水冷孔，并开有隔断缝；绝缘片与
bitter
片开有一致的水冷孔，但是形状大小通常是
bitter
片的十几分之一
。bitter
片与绝缘片通过规律的错位堆叠形成水冷磁体水流通道，从而形成水冷磁体线圈，多个水冷磁体线圈组合成水冷磁体，如图1所示
。
[0003]随着水冷磁体磁场强度不断提升，运行功率也随之增加，因此水冷磁体线圈的热稳定性能问题日益突出
。
目前，一些水冷磁体通入电流最大值接近
40000A
，如此高的电流流过磁体必定产生大量的焦耳热，为了保证磁体稳定运行，水冷磁体内部需要通过高速高压去离子冷却水带走产生的焦耳热，如果热量带走不及时，就会出现线圈烧毁的严重后果
。
因此，在水冷磁体设计中，线圈的冷却设计至关重要，流固交界面的对流换热系数是水冷磁体线圈冷却设计中不可或缺的关键参数，然而线圈中水流通道的形状，位置，尺寸，粗糙度等因素都会影响对流换热系数，因此准确计算对流换热系数的解析解非常困难
。
[0004]目前，水冷磁体对流换热系数的确定方法多为经验公式法，采用的经验公式为：，其中为是水的速度，值接近1，为常数
。
关于和的值有许多相关的学术讨论，大多数人认为值接近于
0.8
和
1.0
之间
。
但由于
p
值的不确定性，简单的采用经验公式得到的换热系数往往与实际值的误差较大，不能准确描述水冷磁体线圈的换热特性
。
若采用实验测量的方法求解水冷磁体线圈对流换热系数，精度相对较高，但需要研制大尺寸耐高压去离子水的专用装置，研制成本昂贵
。
[0005]在相关技术中，公布号为
CN115565745A
的专利申请文献中提出结合有限元仿真方法对超导磁体设计中电磁热力多个方面进行稳定性分析与校验，当超导磁体采取冷却介质降温时，将超导磁体与冷却介质交界处设置为热通量边界，热通量的类型为对流热通量，即边界条件当中是已知壁面的热通量而不是未知
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于如何提高求解水冷磁体换热系数的精度与效率，同时降低研发成本
。
[0007]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题的：本专利技术提出了一种水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，所述方法包括：
在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度；在有限元分析软件中对水冷磁体线圈的三维模型模拟通入所述设定电流，并通过设定不同的壁面粗糙度，仿真得到不同壁面粗糙度所对应的线圈的模拟平均温度，其中，所述线圈的实测平均温度在线圈的模拟平均温度的最小值与最大值之间；将不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数；将所述线圈的实测平均温度代入所述拟合函数，得到所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度；将所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入所述有限元分析软件中进行模拟，得到线圈对流换热系数
。
[0008]进一步地，所述在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度，包括：对所述水冷磁体线圈通设定温度的冷却水，并在线圈温度与水温度相等时，对所述水冷磁体线圈通入第一电流后测量线圈两端的第一电压；根据所述第一电流和所述第一电压，计算在所述设定温度下线圈的第一电阻；对所述水冷磁体线圈通入第二电流后测量线圈两端的第二电压，其中，所述第二电流大于所述第一电流；基于所述第二电流
、
所述第二电压和所述第一电阻，计算通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。
[0009]进一步地，所述基于所述第二电流
、
所述第二电压和所述设定温度下线圈的电阻，计算通入所述第二电流时线圈的实测平均温度，包括：根据所述第二电流和所述第二电压，计算通入所述第二电流时线圈时线圈的第二电阻；基于所述第二电阻和所述第一电阻，通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。
[0010]进一步地，通入所述第二电流时线圈的实测平均温度的计算公式为：
[0011][0012][0013]式中：第一电阻，为第二电阻，为第一电压，为第一电流，为第一电压，为第一电流，为线圈电阻率温度系数，为通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。
[0014]进一步地，所述将不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数，包括：采用最小二乘法对不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数，其中，所述拟合函数满足对提取的数据的误差平方和最小
。
[0015]进一步地，所述将所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入所述有限元分析软件中进行模拟，得到线圈对流换热系数，包括：将所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入流固交界面的壁面条件，提取
流固交界面的热通量与温度参数；基于所述流固交界面的热通量与温度参数，计算水冷磁体线圈与流体域交界面的平均对流换热系数
。
[0016]进一步地，所述温度参数包括壁温和水的平均温度，所述基于所述流固交界面的热通量与温度参数，计算水冷磁体线圈与流体域交界面的平均对流换热系数，公示表示为：
[0017]式中：表示热通量，表示壁温，表示水的平均温度，表示平均换热系数
。
[0018]进一步地，在所述将所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入所述有限元分析软件中进行模拟，得到线圈对流换热系数之后，所述方法还包括：在所述有限元分析软件中调取温度云图，得出水冷磁体线圈的温度分布情况
。
[0019]此外，本专利技术还提出了一种水冷磁体线圈对流换热系数确定系统，所述系统包括：温度实测模块，用于在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度；温度模拟模块，用于在有限元分析软件中对水冷磁体线圈的三维模型模拟通入所述设定电流，并通过设定不同的壁面粗糙度，仿真得到不同壁面粗糙度所对应的线圈的模拟平均温度，其中，所述线圈的实测平均温度在线圈的模拟平均温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，其特征在于，所述方法包括：在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度；在有限元分析软件中对水冷磁体线圈的三维模型模拟通入所述设定电流，并通过设定不同的壁面粗糙度，仿真得到不同壁面粗糙度所对应的线圈的模拟平均温度，其中，所述线圈的实测平均温度在线圈的模拟平均温度的最小值与最大值之间；将不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数；将所述线圈的实测平均温度代入所述拟合函数，得到所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度；将所述线圈的实测平均温度对应的壁面粗糙度代入所述有限元分析软件中进行模拟，得到线圈对流换热系数
。2.
如权利要求1所述的水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，其特征在于，所述在水冷磁体线圈通入设定电流时，测量线圈的实测平均温度，包括：对所述水冷磁体线圈通设定温度的冷却水，并在线圈温度与水温度相等时，对所述水冷磁体线圈通入第一电流后测量线圈两端的第一电压；根据所述第一电流和所述第一电压，计算在所述设定温度下线圈的第一电阻；对所述水冷磁体线圈通入第二电流后测量线圈两端的第二电压，其中，所述第二电流大于所述第一电流；基于所述第二电流
、
所述第二电压和所述第一电阻，计算通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。3.
如权利要求2所述的水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，其特征在于，所述基于所述第二电流
、
所述第二电压和所述设定温度下线圈的电阻，计算通入所述第二电流时线圈的实测平均温度，包括：根据所述第二电流和所述第二电压，计算通入所述第二电流时线圈时线圈的第二电阻；基于所述第二电阻和所述第一电阻，通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。4.
如权利要求3所述的水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，其特征在于，通入所述第二电流时线圈的实测平均温度的计算公式为：二电流时线圈的实测平均温度的计算公式为：二电流时线圈的实测平均温度的计算公式为：式中：为第一电阻，为第二电阻，为第一电压，为第一电流，为第一电压，为第一电流，为线圈电阻率温度系数，为通入所述第二电流时线圈的实测平均温度
。5.
如权利要求1所述的水冷磁体线圈对流换热系数确定方法，其特征在于，所述将不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合，得到拟合函数，包括：采用最小二乘法对不同的壁面粗糙度及其对应的线圈的模拟平均温度进行拟合...

【专利技术属性】
技术研发人员：房震，王泗明，匡光力，李见，王忠建，钱新星，苏剑，张勇，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：