基于螺旋线圈的同步辐射前端区强化冷却技术的研究

This project will conduct an in-depth study on the enhanced cooling technology for the synchrotron radiation front end based on copper helical wire coils. Aiming at the main high heat load absorbers in the front end of Multi-functional Ultra-hard X-ray Beamline(BL12SW) featuring ultra-high heat and ultra-high thermal power density in the Phase II project construction of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF), the heat release capacity of each absorber before and after the installation of helical wire coils in the cooling water channel will be compared. The quantitative analysis of the helical wire coils on improving heat convection coefficient and heat release capacity will be presented; By establishing a fluid-solid coupling model of finite element analysis (FEA), to analyze the flow state of cooling water in the water channel before and after the installation of helical wire coils, thus obtain the flow law of the cooling water, as well as the heat convection coefficients which verify with the experimental results, then obtain the enhanced cooling mechanism; In addition, by numerical simulation analysis, the key structural parameters of the helical wire coils will be optimized and verified experimentally to minimize negative effects such as pressure loss and vibration; According to the experimental and analytical results, to form a structural optimization design scheme for the copper helical wire coils and absorbers, which can be used for the Phase II beamlines construction of SSRF, such as BL12SW. Based on this point, to establish and develop a set of more advanced and efficient thermal release technology for SSRF, as well as to fulfill the pre-technical reserves for the high heat treatment of the future ultra-high heat load front-end.

本项目将对基于铜质螺旋线圈的同步辐射前端区强化冷却技术进行深入的研究。针对上海光源二期工程建设中具有超高热量与超高热功率密度的超硬多功能线站(BL12SW)前端区的主要高热负载吸收体，比较冷却水道内安装线圈前后各元件的热缓释能力，定量说明螺旋线圈对提高热对流换热系数与热缓释能力的重要作用；通过有限元分析，建立流固耦合模型，分析线圈安装前后冷却水在管道内的流动状态，得出冷却水的流动规律以及对流换热系数并与实验结果相印证，进而揭示强化冷却工作机理；通过数值模拟分析，对螺旋线圈的关键结构参数进行优化设计并经过实验验证，以最大化地减少压力损耗与振动等负面效应；根据实验与分析结果，形成可用于上海光源二期工程建设(如BL12SW)的螺旋线圈与吸收体结构优化设计方案。基于此，为上海光源建立与发展一套更为先进高效的热缓释技术，也为未来的超高热负载前端区高热量的处理做前期技术储备。

本项目对基于铜质螺旋线圈的同步辐射前端区强化冷却技术进行系统的研究。针对上海光源二期工程建设中具有超高热量与超高热功率密度的超硬多功能线站(BL12SW)前端区的主要高热负载吸收体，比较冷却水道内安装线圈前后各元件的热缓释能力，定量说明螺旋线圈对提高热对流换热系数与热缓释能力的重要作用；通过有限元分析，建立流固耦合模型，分析线圈安装前后冷却水在管道内的流动状态，得出冷却水的流动规律以及对流换热系数并与实验结果相印证，进而揭示强化冷却工作机理；通过分析，对螺旋线圈的关键结构参数进行优化设计，以最大化地提高对流换热能力且尽量减少压力损耗与振动等负面效应。. 根据实验与分析结果，发现对流换热系数是影响高热负载吸收体热缓释性能的重要因素，且当该系数的增加量足够大（> 16％）时，热缓释效果变得显著；引入螺旋线圈之后，冷却管壁的对流换热系数得到显著的提高，约为原对流换热系数的2-3倍，且进一步优化后可达3倍以上，即该方法能够较为显著地强化系统的热缓释性能；对于冷却管道，在没有螺旋线圈的区域，流体呈现较规则的层流状态。而对于存在螺旋线圈的区域，规则的层流状态被破坏。由于线圈的影响，湍流逐渐形成并增强，这对提高对流换热能力有利；螺旋线圈强化冷却的机制主要是：增加了热接触面积、减薄或破坏边界层，有效阻止了边界层的发展、使流体的湍流程度增强，尤其是增加了近管道内壁区流体的湍流程度，由此引起的离心力致使冷性流体向管径方向流动，而热性流体向管道中心流动，加强了热的对流作用，成倍提高了对流换热系数，因此能够显著提高冷却效果。. 基于上述研究成果，形成了可用于上海光源二期工程建设(如BL12SW)的螺旋线圈与吸收体结构优化设计方案，为上海光源建立与发展了一套更为先进高效的热缓释技术，也为未来的超高热负载前端区高热量的处理做好了前期技术储备。