线圈终端盒内冷屏管路泄漏数值模拟

　　ITER中线圈终端盒(CTB)是连接超导磁体系统与外围系统的重要通道，内部设置了不同压力低温管路，提供系统的低温环境。本文主要研究了冷屏氦气管路的泄漏过程，依据气体动力学、流体力学及气体射流动力学理论，推演出高压低温气体的泄漏质量流率公式。应用FLUENT建立了管路氦气泄漏模型，提出了研究低温氦气泄漏的数值模拟方法，计算不同压力氦气在3s内的瞬态泄漏量，得到氦气瞬态泄漏速度分布、压力曲线和温度曲线。数值模拟泄漏量与理论公式计算泄漏量的平均误差很小，可为系统诊断氦泄漏提供依据。

　　线圈终端盒作为国际热核聚变实验堆(ITER)超导馈线系统的重要组成部分，其结构如图1所示，内部包括电流引线、冷屏、低温管路和控制阀等组件。其中电流引线主要实现低温超导母线和室温电源的连接；冷却管路及其控制阀完成对冷氦气的输送与控制，从而实现对电流引线、冷屏等组件的冷却；冷屏是设置在室温壳体和低温部件之间，用来减少来自线圈终端盒高温区对低温部件的热辐射，保证线圈终端盒内低温部件的正常工作。但冷屏冷却管道在长时间工作周期内会存在泄漏隐患，甚至会出现断裂极端情况，造成冷屏功能丧失和线圈终端盒压力急剧升高，进而引起超导电缆失超和容器破坏等恶劣后果。

　　文章针对冷屏冷却管道破裂氦气泄漏极端情况，基于气体动力学及流体力学理论近似给出高压低温气体的泄漏公式，并利用计算流体力学软件FLUENT数值模拟不同工况下氦气的泄漏过程，对冷氦气的泄漏规律进行了探讨。

图1 线圈终端盒结构图

1、数值模拟

　　1.1、冷屏结构

　　线圈终端盒的冷屏结构如图2所示，主要由冷却管路和冷屏壳体两部分组成，冷屏壳体固定在不锈钢管材焊接的骨架上，冷却管道采用外方内圆截面的管道结构(图3)，蛇形串联排列于冷屏壳体上，管路和冷屏壳体均选用1050铝合金材料。假设冷却管路某段发生泄漏，其管道破损情况如图3所示，在管道表面形成一条长度9mm、宽度2mm的贯穿裂纹。

图2 冷屏机构图

图3 冷屏管道结构及泄漏裂口

结论

　　屏和线圈终端盒的安全运行是ITER装置正常工作的重要保证，本文针对冷屏运行过程中可能发生的管路泄漏情况，建立数学模型对密闭空间瞬态氦气泄漏过程的泄漏量、速度、压力和温度变化规律进行研究，得到以下结论:

　　(1)推演出高压低温气体的泄漏质量流率公式，得到1.8MPa冷屏管路的泄漏量理论结果与数值结果相对误差仅7.5%，且气体泄漏量可作为超导馈线系统冷却管路泄漏诊断的重要参数指标之一；

　　(2)冷屏冷却管路破裂气体泄漏过程的高速射流引起了管道压力的急剧下降并且也会直接破坏线圈终端盒内真空环境，甚至造成线圈终端盒结构破坏，即导致低温超导线圈失超；

　　(3)数值模拟方法得到冷屏管路氦气泄漏扩散规律，也可以为超导馈线低温管路超临界氦泄漏分析提供参考。