【摘 要】
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随着工业的发展和城市的扩张,用电需求日益增长,对电缆的输电能力的要求越来越高,高温超导电缆（HTS）的应用有望成为一条有效的解决途径。近年来,高温超导线材的生产工艺不断成熟,低温支撑技术也更加可靠和低成本,HTS的实际应用越来越具备条件。高温HTS通常需要浸泡在低温流体中保证工作温度。液氮温度正好处于HTS工作温区,并且成本较低,使用安全,是现阶段HTS内冷却流体的不二之选。波纹管具有良好的柔韧性
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随着工业的发展和城市的扩张,用电需求日益增长,对电缆的输电能力的要求越来越高,高温超导电缆（HTS）的应用有望成为一条有效的解决途径。近年来,高温超导线材的生产工艺不断成熟,低温支撑技术也更加可靠和低成本,HTS的实际应用越来越具备条件。高温HTS通常需要浸泡在低温流体中保证工作温度。液氮温度正好处于HTS工作温区,并且成本较低,使用安全,是现阶段HTS内冷却流体的不二之选。波纹管具有良好的柔韧性、收缩性和承压能力,因此适合于HTS的长距离输送。波纹管内液氮流动的压力损失决定了液氮泵站距离、泵功率以及管道承压能力等重要参数,对HTS系统整体设计有着重要意义。本文工作设计搭建了一整套针对液氮波纹管内流阻力研究的实验系统,包括液氮供液系统、液氮过冷系统、实验测试段、气化排放系统和测量系统。采用相似律研究方法,对内径为8.5mm的直管和波纹管进行了实验对比研究,并且将直径5mm的内芯插入波纹管内模拟HTS真实工况,进行相应的液氮流动实验。在流量范围8 kg/h到195 kg/h或2300<Re<50000的范围内,实验结果表明,压力损失随着流量的增大而增大,达西摩擦因子随着雷诺数的增大而减小。压降大小依次为直管<空心波纹管<含内芯波纹管,达西摩擦因子大小依次为直管<含内芯波纹管<空心波纹管。并且给出了实验用含内芯波纹管的达西摩擦因子关联式f=0.04235+0.33517exp（-Re/5750）,可用于相似结构参数下的计算以及研制CFD仿真结果。实验测量数据受到被测样品规格数量、装配时间、实验时间等限制而数量有限,更加不可能对涵盖应用范围的所有尺寸的波纹管和内芯进行全部组合的实验测量。为了获得更多规格的波纹管内液氮流动特性、直观解释波纹管内流动机理,本文建立了不同内径、波高和波距的空心波纹管的仿真模型并进行CFD计算,选取的典型案例为内径80mm、波高10mm、波距10mm的波纹管插入60mm、40mm和20mm的内芯。为了使得仿真结果不局限于特定规格,将波纹管的结构参数都无量纲化。结果表明,压降随着直径的增大而减小,随着流速的增大而增大。总体而言,在波高/内径和波高/波高不变的情况下,直径的变化对达西摩擦因子几乎没有影响。波距、直径不变时,波高增大则达西摩擦因子增大。在雷诺数10000～80000范围内,波纹管流动出现湍流过渡（转捩）,随着雷诺数增大,达西摩擦因子先增大后减小。分别对含直径为20mm、40mm、60mm内芯的内径为80mm的波纹管进行仿真,发现在相同流量下,压降随着内芯直径的增大而增大;相同雷诺数下,达西摩擦因子随着内芯直径的减小而增大,并且逐渐接近空心波纹管。为了验证仿真结果的可靠性,对空心波纹管和含内芯波纹管的仿真结果与相应实验结果进行了对比验证,发现在较低雷诺数下,吻合度略有欠缺,但在高雷诺数下吻合程度良好。本文研究得出的结果将为HTS用波纹管内液氮流动的阻力特性提供基础性的理论和数据支持。
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