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复合低温传输管线是大型氦低温制冷系统以及氦低温分配和传输系统中的关键部件之一，主要传输不同温区、不同种类和流量的低温工质给各个设备。复合低温传输管线的性能优劣、结构设计及漏热量负荷直接影响到大型氦低温制冷机的运行及工作效率，以及输送到用户的低温氦流能否满足设定工况。然而，对于超低温区（液氦到超流氦）、多通道、长距离及结构复杂的复合低温传输管线的真空多层绝热机理以及传热特性的研究工作还不成熟，存在较多的难点，包括:液氦到超流氦极低温区下低漏热量的高要求，长距离、多通道、不同流量以及不同管道间结构布局及传热的复杂性，高真空、超低温条件下实验测试研究的困难性等，导致了复合低温传输管线的绝热保冷效果不佳，漏热量较大;直接影响到液氦及超流氦等低温工质的冷量传输性能。因此，本文围绕超低温区（液氦到超流氦）、多通道、长距离及结构复杂的复合低温传输管线真空多层绝热机理和传热特性开展了理论及实验研究工作。
1.对应用于复合低温传输管线的真空多层绝热机理进行了理论研究。通过对多层绝热中复杂耦合的传热特性进行深入分析，得到了影响低温传输管线绝热性能的主要因素。重点分析了绝热材料包扎在水平管道上，由于材料自重的影响导致层与层之间会产生圆周方向上变化的压力负荷。提出采用平均层密度来表示多层绝热材料包扎在水平低温传输管线上的层间平均压力负荷。采用拟合的Lockheed方程对低温传输管线的真空多层绝热性能进行理论计算，得到了热流密度随不同层数和层密度的变化曲线。对多层绝热系统各项表观导热系数计算发现，气体和辐射表观导热系数随层密度的增大而减小;固体导热项表观导热系数则相反。理论计算总表观导热系数在20-25层/cm区间存在一个极小值。因此，层数和层密度的合理选取对于优化低温传输管线的多层绝热材料热性能具有重要影响作用。最后分析了夹层中真空度的影响因素和真空保持年限。
2.设计了2500W@4.5K大型氦低温系统用三根液氦到超流氦低温传输管线。基于2500W@4.5K同轴液氦低温传输管线进行结构设计和传热特性分析。重点对绝热系统、真空夹层和支撑结构进行了设计及传热分析。根据管道内低温氦流的质量流量和流速控制要求，分别对三根低温传输管线进行了管径和壁厚的选取。此外，对低温传输管线的布局方式及连接方式进行热分析，采用Bayonet连接方式密封性及可靠性良好。最后，在研究真空多层绝热机理和支撑漏热量的前提下，重点对同轴液氦传输管线内的不同支撑结构进行了热应力分析。同时，探讨了弯管道和波纹管的受力情况，校核得到整体管道应力能满足许用应力要求。
3.基于简化的同轴型液氦传输管线结构，设计和搭建了通用性的低温传输管线实验测试系统。设计的可拆卸真空外套管装置，能简便的对支撑、多层绝热材料和整体管道进行替换测试;采用两端保护管段来补偿两端面漏热量对测试段的影响。对测试系统的组成部分、实验过程及精度进行了分析，得到整个测试平台的精度小于4.2％。在常温下稳定测试了14h下的两不同实验的质量流量和绝热材料表面温度。提出了测试段仿真模型，模拟得到了支撑及φ89mm的整体管道模拟温度云图。对比实验和模拟的绝热材料外表面温度的温差约为4.3K，实验平均温度283.3K，单个三角支撑的实验漏热量为0.435W。对比了模拟及实验漏热量，最大误差小于10.7％，验证了整个实验测试系统的可靠性和准确性。
4.基于低温传输管线实验测试系统，对低温传输管线的多层绝热材料关键影响因素:层数、层密度、开孔率、真空度和材料种类等进行实验验证优化。获取了实验测试段采用双面镀铝薄膜和玻璃纤维纸复合材料的最优层密度和层数分别为25层/cm和50层，最小漏热量为0.488W/m。拟合得到Lockheed方程经验参数A=2.26×10-7，B=2.90×10-9，C=1.46×104;对比20，25和40层/cm的热流密度理论和实验结果的最大误差分别小于23％，20％和39％，验证了拟合Lockheed方程的适用性。通过实验测试了最优开孔率和夹层真空度要求。同时对比了不同的复合多层绝热系统和支撑结构漏热量性能。选取了双面镀铝薄膜和玻璃纤维纸复合绝热以及双棱支撑结构。基于提出的真空多层绝热和支撑耦合换热的低温传输管线传热特性仿真模型，对不同支撑结构、多层绝热材料和总漏热量进行了模拟和实验，最大偏差小于10％，10.7％和6.6％。同时，测试了多层绝热材料不同层数下，层密度20和25层/cm下的漏热量最大偏差分别小于9.1％和11％。对比实验和模拟验证了仿真模型用于低温传输管线漏热量和温度场模拟的可行性和准确性。进一步获得了低温传输管线的最小漏热量0.688W/m。
5.计算得到293K～4.5K温区的表观导热系数为0.119mW/(m·K)，并通过仿真模型对同轴型液氦低温传输管线进行模拟，得到了直管段和弯管段的漏热量及温度分布。仿真结果表明液氦低温传输管线中，单个双棱支撑的漏热量为0.207W，直管段和弯管段的多层绝热材料漏热量分别为0.471W/m和0.460W/m。进一步地对Bayonet接头漏热量进行分析，装配产生的气体间隙起到了减少辐射传热的作用，漏热量较小;通过公、母头壁面轴向导热为主要漏热，应当采用薄壁管道。得到壁厚1mm的公、母头和2mm的气体间隙的Bayonet接头总漏热量为3.08W。在这基础上，采用测试焓差法设计了嵌入氦低温系统的液氦低温传输管线性能测试系统。该实验系统关键在于精确地获取氦气流量和测试两点的压力和温度差值。最后，分析了液氦/超流氦带辐射屏的复合多通道低温传输管线的结构及传热特性，基于拟合的Lockheed方程和实验理论设计了复合多通道的支撑结构和绝热材料包扎工艺等。对比了2500W@4.5K用7.3m长同轴型液氦低温传输管线，在上面布置4个绝热支撑，不带辐射屏单位长度漏热量为0.581W/m，带辐射屏单位长度漏热量为0.029W/m。该带辐射屏的复合多通道低温传输管线能用于传输同轴型、不同温区、不同工质及流量的低温工质，是在低能量损耗条件下满足大科学装置及不同用户需求的重要分配及传输的关键性部件。
1.对应用于复合低温传输管线的真空多层绝热机理进行了理论研究。通过对多层绝热中复杂耦合的传热特性进行深入分析，得到了影响低温传输管线绝热性能的主要因素。重点分析了绝热材料包扎在水平管道上，由于材料自重的影响导致层与层之间会产生圆周方向上变化的压力负荷。提出采用平均层密度来表示多层绝热材料包扎在水平低温传输管线上的层间平均压力负荷。采用拟合的Lockheed方程对低温传输管线的真空多层绝热性能进行理论计算，得到了热流密度随不同层数和层密度的变化曲线。对多层绝热系统各项表观导热系数计算发现，气体和辐射表观导热系数随层密度的增大而减小;固体导热项表观导热系数则相反。理论计算总表观导热系数在20-25层/cm区间存在一个极小值。因此，层数和层密度的合理选取对于优化低温传输管线的多层绝热材料热性能具有重要影响作用。最后分析了夹层中真空度的影响因素和真空保持年限。
2.设计了2500W@4.5K大型氦低温系统用三根液氦到超流氦低温传输管线。基于2500W@4.5K同轴液氦低温传输管线进行结构设计和传热特性分析。重点对绝热系统、真空夹层和支撑结构进行了设计及传热分析。根据管道内低温氦流的质量流量和流速控制要求，分别对三根低温传输管线进行了管径和壁厚的选取。此外，对低温传输管线的布局方式及连接方式进行热分析，采用Bayonet连接方式密封性及可靠性良好。最后，在研究真空多层绝热机理和支撑漏热量的前提下，重点对同轴液氦传输管线内的不同支撑结构进行了热应力分析。同时，探讨了弯管道和波纹管的受力情况，校核得到整体管道应力能满足许用应力要求。
3.基于简化的同轴型液氦传输管线结构，设计和搭建了通用性的低温传输管线实验测试系统。设计的可拆卸真空外套管装置，能简便的对支撑、多层绝热材料和整体管道进行替换测试;采用两端保护管段来补偿两端面漏热量对测试段的影响。对测试系统的组成部分、实验过程及精度进行了分析，得到整个测试平台的精度小于4.2％。在常温下稳定测试了14h下的两不同实验的质量流量和绝热材料表面温度。提出了测试段仿真模型，模拟得到了支撑及φ89mm的整体管道模拟温度云图。对比实验和模拟的绝热材料外表面温度的温差约为4.3K，实验平均温度283.3K，单个三角支撑的实验漏热量为0.435W。对比了模拟及实验漏热量，最大误差小于10.7％，验证了整个实验测试系统的可靠性和准确性。
4.基于低温传输管线实验测试系统，对低温传输管线的多层绝热材料关键影响因素:层数、层密度、开孔率、真空度和材料种类等进行实验验证优化。获取了实验测试段采用双面镀铝薄膜和玻璃纤维纸复合材料的最优层密度和层数分别为25层/cm和50层，最小漏热量为0.488W/m。拟合得到Lockheed方程经验参数A=2.26×10-7，B=2.90×10-9，C=1.46×104;对比20，25和40层/cm的热流密度理论和实验结果的最大误差分别小于23％，20％和39％，验证了拟合Lockheed方程的适用性。通过实验测试了最优开孔率和夹层真空度要求。同时对比了不同的复合多层绝热系统和支撑结构漏热量性能。选取了双面镀铝薄膜和玻璃纤维纸复合绝热以及双棱支撑结构。基于提出的真空多层绝热和支撑耦合换热的低温传输管线传热特性仿真模型，对不同支撑结构、多层绝热材料和总漏热量进行了模拟和实验，最大偏差小于10％，10.7％和6.6％。同时，测试了多层绝热材料不同层数下，层密度20和25层/cm下的漏热量最大偏差分别小于9.1％和11％。对比实验和模拟验证了仿真模型用于低温传输管线漏热量和温度场模拟的可行性和准确性。进一步获得了低温传输管线的最小漏热量0.688W/m。
5.计算得到293K～4.5K温区的表观导热系数为0.119mW/(m·K)，并通过仿真模型对同轴型液氦低温传输管线进行模拟，得到了直管段和弯管段的漏热量及温度分布。仿真结果表明液氦低温传输管线中，单个双棱支撑的漏热量为0.207W，直管段和弯管段的多层绝热材料漏热量分别为0.471W/m和0.460W/m。进一步地对Bayonet接头漏热量进行分析，装配产生的气体间隙起到了减少辐射传热的作用，漏热量较小;通过公、母头壁面轴向导热为主要漏热，应当采用薄壁管道。得到壁厚1mm的公、母头和2mm的气体间隙的Bayonet接头总漏热量为3.08W。在这基础上，采用测试焓差法设计了嵌入氦低温系统的液氦低温传输管线性能测试系统。该实验系统关键在于精确地获取氦气流量和测试两点的压力和温度差值。最后，分析了液氦/超流氦带辐射屏的复合多通道低温传输管线的结构及传热特性，基于拟合的Lockheed方程和实验理论设计了复合多通道的支撑结构和绝热材料包扎工艺等。对比了2500W@4.5K用7.3m长同轴型液氦低温传输管线，在上面布置4个绝热支撑，不带辐射屏单位长度漏热量为0.581W/m，带辐射屏单位长度漏热量为0.029W/m。该带辐射屏的复合多通道低温传输管线能用于传输同轴型、不同温区、不同工质及流量的低温工质，是在低能量损耗条件下满足大科学装置及不同用户需求的重要分配及传输的关键性部件。