基于接触热阻的CSMC热-结构耦合分析

汪献伟,房以伟,陈婕玮

(江苏理工学院机械工程学院, 江苏 常州 213001)

中国聚变工程实验堆(CFETR)是一个工程物理参数介于国际热核聚变实验堆(ITER)与DEMO之间的新的托卡马克装置[1],CFETR作为低纵横比的紧凑型聚变装置,为了给包层节省更多空间,线圈磁体可以采用混合超导磁体[2].中国科学院等离子体物理研究所正在着手研制一台12 T、最大磁场变化率1.5 T/s的Nb3Sn-NbTi混合超导磁体模型线圈(CSMC).模型线圈设计模型如图1所示.热载荷是影响模型线圈力学性能的核心因素之一.力学特性评估表明[3],CSMC的预紧件载荷梁存在较大的热梯度和热应力,热梯度和热应力受界面接触热阻的影响,而接触热阻受线圈界面加工制造工艺的限制,其对线圈热力学性能的影响贯穿线圈降温及运行的全过程.受降温时间的限制,降温过程中接触热阻的影响则更为显著.创建接触热阻计算模型,研究界面接触热阻可为获得精确的温度场分布并开展耦合场计算提供依据.

图1 模型线圈设计模型

1 多点接触热阻计算模型

实际接触热阻计算与接触界面粗糙峰的形状和分布状态密切相关,接触界面粗糙峰往往随机分布且形状各异,难以直接采用随机模型进行数值模拟,国内外学者往往将粗糙峰等效为半球体、圆柱、圆盘、截锥体等模型开展理论计算.文献[4-8]对接触热阻开展了深入的研究并提出了不同的计算方法.本文基于文献[9-10]的研究,假定界面粗糙峰近似服从高斯分布,建立接……