（制冷及低温工程专业论文）heⅡ传输参数特性与heⅡ获取研究.pdf

上海交通大学博士学位论文摘要 h el i 传输参数特性与h ei i 获取研究 摘要 本文结合c g s e ( c r y o g e n i cg r o u n ds u p p o r te q u i p m e n t ，低温地面支持设备) 系统中有关h ei i 的产生与输送方面的工程应用要求，针对h ei 和h ei i 的物性、 低温液氦与h ei i 的获取模型、传输温升模型进行了理论研究和数值模拟，并采 用试验对部分理论分析结论进行了验证，主要理论研究和试验工作如下： 一、h ei i 粘度的不确定现象与分析。对目前已经出现的关于测试h ei i 粘度 的试验进行全面分类和系统研究，指出h ei i 表观粘度测量结果的不确定性，即 对测试条件的依赖性。唯一可以从理论角度出发对此现象进行的定性解释就是， h ei i 内部出现了超流体紊流和涡旋粘度，目前还没有达到可以定量说明的水平。 因此，尝试利用现有的关于h ei i 的低温物理学理论和相关背景知识对几种实验 技术之间表现出来的差异进行了分析。同时给出针对不同测试和应用条件表现出 来的具体粘度数值，为c g s e 系统真实工程应用条件下的粘度选用提供依据。在 此基础上提出在一定条件下便于工程应用的简单估算h ei i 粘度的数学方程。 二、利用分子动力学( 加) 方法对u ( l e n n a r d j o n e s ) 流体和量子流体的 粘度研究。首次尝试采用外加无量纲力场的方法，使流体形成稳定的速度分布， 进而分析其粘度。无论是模拟的过程还是其结果都能够提供一些很有价值的结 论：如果要模拟较低的流体温度，需要采用较大的外加力场才可以形成比较明显 的速度梯度。5 0 0 0 个分子的系统模拟得到的状态点全部落入研究流体的超临界 区域。与超临界氦相比，超临界氩粘度的模拟结果更接近于n i s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 提供的数据。对于1 8 0 0 0 个分子的系统， 在给定的初始模拟温度条件下，能否形成稳定的速度分布对外加力场的数值大小 更加敏感。对待不同的初始输入条件，需要选取与之相应的外加力场，才能够形 成稳定的速度分布。而18 0 0 0 个分子系统的模拟结果同样存在与5 0 0 0 级分子系 统相同的问题，这是因为氦具有量子效应，而在u 流体模型中，并未考虑这种 量子效应。 上海交通大学博士学位论文 摘要 在目前带有量子效应修正的分子动力学研究领域，还较少涉及传输参数的模 拟。本文通过f h ( f e y n m a n h i b b s ) 势函数实现了u 流体的量子效应修正。计 算发现，随着计算温度的降低，量子效应的修正增强。采用量子效应修正后，对 系统的温度场影响很大，必须在很小的外加力场作用下，才能使计算结果尽量收 敛于输入值，这些做法使模拟时间大大增长，由原来的2 0 小时可以计算一个状 态点突然增加到7 天甚至更长，不仅占用大量的计算机资源，也大大限制了计算 的状态点数量。结果发现，采用外加力场和量子效应相结合的方式，可以实现液 氦甚至h ei i 粘度的分子动力学模拟，使其可能不再依赖于复杂的实验技术。 三、理论研究h ei i 获取方案、减压降温法获得不同温度液氦和h ei i 的液 体获得率。针对直接节流、预冷与节流相结合、抽真空以及抽真空与节流过程相 结合这4 种方案进行了比较详细的对比分析和计算。在综合比较各方面因素而选 定了抽真空方案后，根据减压降温法的基本原理，提出了用于预测液体获得率的 双守恒模型，全面考虑了过程中液氦和蒸发氦气的焓变和温度变化，并与前人提 出的其他分析模型进行了对比。在双守恒模型的基础上，对a m s 0 2 中c g s e 系统如何实现h ei i 获取的三杜瓦，即主杜瓦、传输杜瓦与磁体杜瓦联动运行方 案进行了分析讨论和计算，在己知部分设备信息的条件下，对磁体杜瓦的抽真空 时间、1 8kh ei i 得率、补注时间进行判断和估算。 四、试验系统的建立。建立用于模拟c g s e 系统主要设备和功能的试验系统， 解决系统中可能出现的一些关键问题，如测试设备的信号线引出问题，发生系统 阻塞事故后的系统复温吹扫问题等。与自控技术人员联合开发带有扩展功能的数 据采集系统和数据实时采集记录软件。对系统中的低温设备进行性能测试，包括 液氦杜瓦的静态蒸发率测试、低温管路接头和主要低温管路的漏热量测试，为真 实系统的调试和运行提供可靠的工程技术数据和经验。试验内容主要有t ( 1 ) 采用减压降温法，使用饱和液氦获得工程用低温液氦( 2 2k - 4 2k 之间 的饱和液氦) 和h ei i ，与本文提出的双守恒模型对比分析其液体获得率， 验证本文提出的预测液体获得率的双守恒模型的准确性和可靠性，为探索 减压降温法获得h ei i 并确定其液体率，获得一定的理论基础与工程经验； ( 2 ) 液氦输送管路绝热性能试验，确定四层绝热结构液氦管路的绝热性能，为 其工程应用提供定量的分析数据；采用内部充注液氮，利用质量流量计测 上海交通大学博士学位论文 摘要 量其蒸发率的方法对c g s e 系统中的两根高真空多层绝热低温输送管路 p l 3 与p l l 4 以及带有冷蒸汽屏的p l 2 进行了低温性能测试。 五、理论分析并计算h ei i 强制流动特性。应用h ei i 状态方程直接确定其 j o u l e t h o m s o n 系数。根据状态方程法的计算结果拟合得到适合于工程应用的经 验方程。在此基础上对强制流动h ei i 输送系统j o u l e t h o m s o n ( j t ) 效应进行研 究。采用考虑到系统压力梯度影响的较为复杂的模型方程对h ei i 强制流动系统 的温度分布进行求解，并与没有考虑j t 效应的简化微分方程的求解结果进行比 较。发现，将由于单纯的j t 效应引起的温升与简化方程的结果进行叠加之后， 结果与考虑压力梯度的复杂方程的结果十分相似，从而简化复杂工程的求解。 本文针对h ei i 传输参数特性、低温液氦传输管路性能和h ei i 获得三方面 内容，从理论分析和试验研究两方面展开，得出了一些有意义的结论，为液氦和 h ei i 的大型工程应用提供了一定的理论准备和技术基础。 关键词：液氦，超流氦，粘度，分子动力学，焦耳汤姆逊效应，强 制流动 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nt h et r a n s f e rp a r a m e t e r sa n d o b t a i n i n go fh e a b s t r c t t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec g s es y s t e ma r eo ft h ef i l l i n ga n dt r a n s f e r r i n go f h ei a n dt h ea c h i e v i n go f1 8kh ei ib yv a c u u mp u m p i n g i ti sn e c e s s a r yt os e tu pa s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mb e c a u s et h ep r a c t i c a lc g s es y s t e mi ss oc o m p l i c a t e d a n dl a r g e 1 1 1 ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw i l ls i m u l a t et h ef l o wp r o c e s so fh eii nr e a l o p e r a t i n gc o n d i t i o na n do b t a i nh ei i s ot h a tw ec a ng a i nt h ek e yp h y s i c a la n d t e c h n i c a l p a r a m e t e r s ，i n f o r m a t i o na n dt h eo p e r a t i o ne x p e r i e n c e f o r t h er e a l e n g i n e e r i n gs y s t e m i nt h ep a p e r , b o t ht h e t h e o r e t i c a ls t u d i e sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh eia n dh ei i t o o b t a i nh ei ib yv a c u u m - p u m p i n gm e t h o d ，a n dt os t u d yt h et e m p e r a t u r er i s em o d e lo f h ei if o r c e df l o w 砀em a j o rw o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s t u d yo nt h ed e p e n d e n c eo ft h ev i s c o s i t i e so fh ei io nt h ee x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s ：b a s e do nt h es u m m a r yo fe x p e f i m e n t a ld a t ao ft h ev i s c o s i t i e s ，i ti sf o u n d t h a tt h ev i s c o s i t i e so fh ei ih a v ed i f f e r e n tv a l u e su n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l t e c h n o l o g i e s t 1 1 ek e yw o r ko ft h i sc h a p t e ri so ff i n d i n gt h ed e t a i lv a l u e so ft h e v i s c o s i t i e so fh ei ii nt e r m so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n st op r o p o s eas i m p l ee q u a t i o nt o c a l c u l a t et h e ma tp r a c t i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 2 s t u d yo nt h ev i s c o s i t i e so f l jf l u i da n dh e l i u mb ym o l e c u l a rd y n a m i c s t h el j p o t e n t i a lf u n c t i o ni sa d o p t e dt os i m u l a t et h ev i s c o s i t i e so fs u p e r c r i t i c a la r g o na n d s u p e r c r i t i c a lh e l i u m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l u e so fs u p e r c r i t i c a la r g o na r ec l o s e t 0t h a t p r o v i d e db yn i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t e o fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) i n c o m p a r i s o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs u p e r c r i t i c a lh e l i u m t l l er e a s o ni st h a th e l i u m i saq u a n t u mf l u i da n dh a sq u a n t u me f f e c tt h a th a sn o tb e e nc o n s i d e r e di nt h el j p o t e n t i a lf u n c t i o n t h e r e f o r e t h eq u a n t u me f f e c tm u s tb ec o n s i d e r e di no r d e rt o o b t a i nt h ea c c u r a t ev a l u e sf o rq u a n t u mf l u i d i nt h i sc h a p t e r , t h ef h ( f e y n m a n h i b b s ) p o t e n t i a lf u n c t i o nh a sb e e nu s e dt os o l v et h ep r o b l e m i ti sf o u n dt h a tt h eq u a n t u m e f f e c tb e c o m e ss t r o n g e rw i t ht h ed e c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r e sa n dt h ec a l c u l a t i o n t i m eb e c o m e sm u c hl o n g e r 3 s t u d yo i lt h es c h e m e so fo b t a i n i n gh ei i t h em a s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o n m o d e la r eu s e dt o a n a l y z et h el i q u i dr a t i oo fh ei i a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sb y v a c u u mp u m p i n gm e t h o d t h e r ea r ef o u rm e t h o d st oo b t a i nh ei i ，i e d i r e c tt h r o t t l i n g p r o c e s s ，t h r o t t l i n gp r o c e s sw i t hp r e c o o l i n g ，v a c u u mp u m p i n ga n dv a c u u m - p u m p i n g 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h r o t t l i n gp r o c e s s l i m i t e db yt h ec h a r g i n gt i m ea n dt h ea s s e m b l ys p a c e ，t h eh e i is h o u l db eq u i c k l yp r o d u c e db yac o m p a c ts y s t e mw i ml l i 曲w o r k i n gr e l i a b i l i t i e s 砀e r e f o r e s e l e c t i o no fas c h e m ef o rp r o d u c i n gh ei ii sa l s oac r u c i a lw o r kt ot h e c o n s t r u c t i o no ft h ec g s es y s t e m b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s e so ft h e p r o c e s s e si nt h o s ef o u rm e t h o d s ，t h es c h e m eo fv a c u u m - p u m p i n gh a sb e e ns e l e c t e d a n dt h ep u m p i n gs p e e dh a sb e e na l s od e t e r m i n e df o rc h o o s i n gt h ev a c u u mp u m p 4 s e tu pt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i e sa n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ec g s es y s t e mas i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e ns e tu di i l o r d e rt ot e s ti t sm a j o re q u i p m e n t sa n df u n c t i o n s s e v e r a le s s e n t i a lt e c h n i c a lp r o b l e m s a r es o l v e dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i n c l u d i n gh o wt ol e a d i n g - o u tt h es i g n a l w i r e sf r o mt h ed e v i c e ，h o wt ow a r mu pa n dp u r g et h es y s t e ma f t e rt h ea c c i d e n to f s y s t e mb l o c k d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n ds o f t w a r ea r ea l s od e v e l o p e d t e s to ft h e s t a t i ce v a p o r a t i v er a t eo fl h ed e w a r , t h eh e a tl e a ko ft h ec o u p l i n ga n dt h ec r y o g e n i c p i p ei nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h el i q u i dr a t i oo fp r o d u c i n g d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e so fh eia n dh ei i ，o nt h et r a n s f e r r i n gp e r f o r m a n c eo fh ei ，a n d o nt h eh e a tl e a ko ft h es p e c i a lf o u rl a y e rc r y o g e n i cp i p e l i n e t h e r ea r et w oa i m sf o r t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ep r o d u c i n ga n dt r a n s f e r r i n gl o wt e m p e r a t u r eh e l i u m ( 1 0 w e rt h a n4 2k 1 ： ( 1 ) p r o d u c i n gt h e l o wt e m p e r a t u r eh e l i u m b yv a c u u m - p u m p i n g m e t h o d c o m p a r i n gt h er e s u l t so fl i q u i dr a t i o w i t ht h et h e o r ym o d e l o b t a i n i n g e n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o na n de x p e r i e n c eo fp r o d u c i n gh ei ia n dd e t e r m i n i n g t h el i q u i dr a t i o ； ( 2 ) d e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo fh e a t - i n s u l a t i n gp r o p e r t i e so ft h es p e c i a lf o u r l a y e rs t r u c t u r ep i p e l i n ea n ds u p p l yt h ea n a l y s i sd a t af o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n a n da p p l i c a t i o n t h ep e r f o r m a n c et e s to fc r y o g e n i ct r a n s f e rp i p e l i n ep l 3a n d p l14i nt h ec g s es y s t e ma r ea l s oc a r r i e do u tb ym a s sf l o w m e t e ri no r d e rt o s u p p l yt h ea n a l y s i sd a t af o rt h eo p e r a t i o no f t h er e a ls y s t e m ； 5 t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tf o rt h ef o r c e df l o w c h a r a c t e r i s t i e so fh ei i t h er e s u l t se x p l a i nt h a tt h el i m i th e a tl e a kp e r m i a e db yp e r m e t e rl i n ew i l lb ed e c r e a s e dw i t ht h el e n g t ho ft h et r a n s f e rl i n e si n c r e a s e s om o r e r e s t r i c tr e q u i r e m e n to nt h et h e r m a li n s u l a t i o ns t r u c t u r ew i l lb ep r e s e n t e dt ot h el o n g e r l i n e s l a r g e rl i m i th e a tl e a kw i l lb ep e r m i t t e dw h e nt h et r a n s f e rd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e i n c r e a s e s t h et e m p e r a t u r er i s eo fh ei it r a n s f e rs y s t e md u et ot h en e g a t i v e j o u l e t h o m s o nu t ) e f f e c ti so n eo ft h em a j o rp r o b l e m si nt h es y s t e md e s i g nf o rt h e h ei if o r c e df l o ws y s t e m 。乃ee q u a t i o nc o n s i d e r i n gt h ep r e s s u r eg r a d i e n te f f e c ti s a d o p t e dt oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h et r a n s f e rp i p e l i n ef o rt h eh e i if o r c e df l o ws y s t e m r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t l lt h o s eo b t a i n e db yt h es i m p l i f i e d e q u a t i o n t h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt h es i m p l i f i e de q u a t i o na r em o d i f i e db yt h e n e g a t i v ej te f f e c tt h e r e f o r et h et o t a lt e m p e r a t u r er i s e sa l o n gt h ep i p e l i n ea r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a lt e m p e r a t u r er i s e sa l o n gt h ep i p e l i n ea r es i m i l a rt ot h e v a l u e sc a l c u l a t e db yt h ec o m p l i c a t e de q u a t i o n s ot h es i m p l i f i e de q u a t i o nc a na l s o g i v eg o o dr e s u l t so ft e m p e r a t u r er i s ew h e nt h en e g a t i v ej te f f e c to fh ei ii sk n o w n v 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t t h et r a n s f e rp r o p e r t i e so fh ei i ，o b t a i n i n go fh ei ia n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e c r y o g e n i cp i p e sa r ee x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e d t h er e s u l t sa r e r e a s o n a b l ea n dh e l p f u l ，e s p e c i a l l yf o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fh eia n dh ei i k e y w o r d s ：l i q u i dh e l i u m ，s u p e r f l u i dh e l i u m ，v i s c o s i t y , m o l e c u l a r d y n a m i c s ，j o u l e t h o m s o ne f f e c t ，f o r c e df l o w 上海交通大学博士学位论文 符号说明 英文字母 c 声速 比热 c o n s 常数 厂 热导率函数 摩擦因子 单位长度蜗旋线上相互作用力 何微孑l z f l 径 焓 k 波尔兹曼常数 ， 分子平均自由程 三 涡旋线长度 m 原子或分子的质量 历 液氦的质量流量 模拟体系的粒子数 p 压力 口热流密度 q 传热量 漏热量 ， 分子或原子中心之间的距离 汽化潜热 s 比熵 f 时间 r 温度 “ 速度 内能 u 成对作用势能 势能 x坐标 y 坐标 希腊字母 主要符号表 ，”s j t 0 0 1 k m s k w 3 无量纲 n ，竹 j | k g j | k m m 堙 堍| s 鼢 删 形 胁所恤 雌 s k胁魄，几 上海交通大学博士学位论文符号说明 口膨胀系数 五hei 与h ei i 转变点 p 密度 刁 粘度 能量基本单位，u 势能的阱深 剪切应力 一 时间 分子或原子的直径 振动频率 无量纲坐标 无量纲温度 j o u l e t h o m s o n 系数 上标 毒 对比单位 下标 c 临界点 g气体 液体 n 常流体 p 定压 s 超流体 3 常流体与超流体相互作用 础 声子 ，i 旋子 0初始状态 召 波尔兹曼常数 厂 原子自由度 册 硬球分子 f 、，代表不同的原子或分子 玎 两分子( 原子) 之间的相互作用 uu 分子 聊宏量体系 p 微孔 五hei - h ei i 转变点 j t j o u l e t h o m s o n k 一1 p q | k 撒 皤 彬 砌 ，骱s肌 占f 伊彩z 秒 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：泓眇 日期：c 抄7 年l y 月，弓日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：僧彬 指导教师签名： 及特 1 日期：如d 7 年l y 月j 弓日 日期：。舻声l 月1 3 日 上海交通大学博士学位论文 第一章 第一章绪论 1 1a m s ( a l p h a m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) 项目背景 1 1 1a m s 太空探测的起因 1 5 0 亿年前，物质、能量、甚至空间、时间都在宇宙大爆炸的瞬间产生，这 就是大爆炸理论。大爆炸宇宙论虽然被普遍接受，但正反物质不对称问题却是该 理论的致命弱点之一【l 。5 l 。1 9 3 3 年，狄拉克凭借推导出反物质理论获得了诺贝尔 物理学奖【6 】。所谓反物质就是其所含粒子的电性与正物质中粒子的电性相反。正 反物质相遇时，原子核与反原子核，全部消失并释放能量，这种现象就是“湮灭 ( a n n i h i l a t e ) ”【7 8 ，9 1 。1 9 9 6 年1 月欧洲核研究中心报导了在一次实验中合成了1 1 个反氢原子，人类第一次看到了反物质原子【l o , 1 l 】，但是它们的生存时间几乎稍纵 即逝 1 2 - 1 4 】。科学家猜想，如果反物质存在的话，也是在更加远的宇宙空间中。因 此，寻找反物质成为宇宙大爆炸理论成立与否的一个涉及到根本性的重要课题之 一。反物质如果被探明确实存在，那将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源 论及相对论量子力学等理论的最有力的实验验证。 1 1 2 棚s 计划及其前期实现 阿尔法磁谱仪( a m s ) 是丁肇中教授领导的以探索空间反物质和暗物质为 主要目的的国际合作科学研究项目。a m s 0 1 是一台大接收度探测器，主要由强 磁体和一组精密探测器组成，其核心部件是中空的圆柱形永磁体，这块永磁铁不 仅能保证磁谱仪可以长期而稳定的太空运行，也保证了磁谱仪在地面运输和空间 实验中承载体的运行安全【1 5 - 1 7 】。带电粒子通过磁场时，运行轨迹会发生偏转。不 同质量和电荷的粒子在通过磁场时的偏转轨迹和速度也不同。磁谱仪通过测量宇 宙射线的速度、在磁场中的运行轨迹等信息计算这些粒子的电荷与质量，分辨物 质与反物质。a m s 0 1 在1 9 9 8 年6 月2 1 2 日由美国发现号航天飞机搭载，成功 地进行了首次飞行【1 8 - 2 2 1 。它对粒子的探测灵敏度比以往的实验高出4 - - 5 个数量 级。 上海交通大学博士学位论文第一章 a m s 0 2 中采用h ei i 冷却的超导磁体，磁感强度比a m s 0 1 提高了6 倍。 为维持低温超导磁体处于超导状态，采用温度低达1 8k 的超流氦( s u p e r f l u i d h e l i u m ，h ei i ) 对其进行冷却，这一工作将由布置在a m s 上的h ei i 冷却系统 完成。丁肇中教授于2 0 0 2 年9 月来访，我校正式参加a m s 国际合作项目。并 将研制针对超导磁体从环境温度到1 8k 冷却任务的低温地面支持设备 ( c r y o g e n i cg r o u n ds u p p o r te q u i p m e n t ) 系统，简称c g s e 系统。 1 1 4e 6 $ e 的意义、原理与功能 c g s e 系统在发射前对超导磁体完成冷却、测试和h ei i 加注。核心任务是 把系统中的磁体、管路、阀门、容器等设备从3 0 0k 降温至1 8k 。这一过程分 四个阶段：第一阶段，磁体和磁体杜瓦从常温被冷却到8 0k 。氦气通过3 0 0k - 8 0 k 可调低温恒温器受控降温后输入磁体杜瓦；第二阶段，磁体和磁体杜瓦从8 0k 冷却到4 2k ；第三阶段，磁体和磁体杜瓦从4 2k 冷却到2 2k 。第四阶段，为 磁体杜瓦加注h ei i 。由于h ei i 的某些独特的热物理特性，造成其在流动与传热 上有很多特点不同于常流体，因此建造c g s e 的模拟实验系统是十分必要和迫切 的，c g s e 系统的原理图如附录l 2 3 】。 1 1 5c g s e 模拟实验系统 a m s 0 2 中超导磁体的冷却过程要求高，技术难度大，过程复杂。其中最关 键的技术就是要实现并保证h ei 的成功输送和h ei i 的最终获得，使磁体能够被 冷却到预定的1 8k 。针对这一冷却过程，设计并制造了其模拟系统，目的是要 模拟c g s e 的基本功能，并借此进行h ei i 的基本性能研究，获取必要的知识、 信息与工程操作经验，为c g s e 系统的真实运行积累理论基础和技术经验。 1 2h ei i 粘度 1 2 1 氦状态特性概述 因为氦分子间作用力极其微弱，所以氦是唯一可以形成超流体的气体【2 4 】。 2 上海交通大学博士学位论文 第一章 氦主要存在两个稳定的同位素h e 4 、h e 3 和半衰期为0 8 2 秒的放射性同位素 h e 6 【2 5 1 ，h e 3 与h e 4 之比约为百万分之一【2 6 】。h e 4 相图存在很多特别之处，如图 l - 1 所示。 ，u 图卜1h 0 4 相图【2 7 】 p i g 1 1t h ep h a s ed i a g r a mo f h e 4 【2 7 1 直至绝对零度，h e 4 仍然保持液体状态，不会在饱和蒸汽压下凝固；另外， h e 4 不存在三相点。h e 4 在4 2k 时，冷凝成液体，这种液体为普通液氦，即h ei ； 当继续降温到2 1 8k 以下时，h ei 成为超流体，即h ei i 。h ei i 具有一些常规流 体所不具备的特殊性质和现象。在不同的应用条件下，h ei i 即会表现出常规流 体的粘性，也会表现出超流体的超流性。h ei i 的薄膜爬行问题，喷泉效应都是 不同于常规流体的特殊现象，而这两种现象都与h ei i 的粘度有关。h ei i 可以快 速地流过非常细小的毛细管通道，说明h ei i 的粘度极小。当h ei i 流过微细流 道时，其表现出来的粘度比h ei 的表观粘度小了1 0 6 。但是这种极小的表观粘度 仅仅就微细流道，如毛细管、多孔介质而言的。 在h ei i 流动和传热特性的研究领域中，物性数据是必不可少的。然而，在 有限的能提供h ei i 热物性数据的资料中，几乎都是以图表的形式给出，应用不 便。从严格的物理意义上讲，h ei i 的热力特性和热物理性质都可以通过理论计 算获得。但是要根据光谱理论、波函数以及状态方程去获得h ei i 在某一特定条 件下的状态参数，对于工程应用来说，过于复杂 2 8 , 2 9 。因此，在实际应用中， h ei i 的某些物性都来自于实验测定或经验计算。 1 2 2h ei i 粘度测量实验技术 上世纪4 0 年代，低温物理学研究领域的学者开始对液氦物性的研究表现出 浓厚的兴趣，尤其是针对h ei i 粘度的研究。原因有三：一是h ei i 粘度随温度 上海交通大学博士学位论文第一章 的变化关系特殊并明显区别于其它流体；二是h ei i 粘度与温度之间的关系还没 有办法利用现有粘度理论进行合理解释；三是只能通过实验技术获得h ei i 粘度 的具体数值，但是粘度数值具有很强的不确定性，即对实验技术有着很强的依赖 性【3 0 1 。不同的测试手段得到了互不相同的结果，甚至是互相矛盾的结论，这说 明在采用经典流体力学描述h ei i 物性时，将会产生较大的误差，这也是产生h e i i 两流体模型理论的直接原因之一【2 9 1 。根据两流体模型理论，超流体成分不携带 熵，也不具有粘度，因此h ei i 的表观粘度也常被理解为其常流体粘度巩。 测量h ei i 粘度的方法通常有三类，管路流动法、旋转粘度计法和圆盘振动 法。对于包括h ei 在内的常流体来说，这三种方法所得到的结果是一致的。但 是在测量h ei i 的粘度时，这三种方法的结果之间出现了很大的分歧【2 9 】。管内流 动法完全是出于常流体粘度测量的经验。k a p i t z a 通过h ei i 流过微细毛细管或多 孔介质的实验发现，h ei i 粘度小到1 0 以1 泊，表现出强超流性。旋转粘度计和振 动盘技术得到的粘度实质上更接近于常流体表观粘度，与h ei 粘度数值具有相 同的量级。但数据的大小以及变化趋势却又不完全相同【2 5 】，如图1 2 所示。 山 量 专 g 罗 7 y k刀k ( a ) 微细流道流动法( b ) 旋转粘度计( c ) 振动盘粘度计 图卜2 三种实验技术测量h ei i 粘度 ( a ) f l o w t h r o u g hm i c r o - p 2 l s s a g e ( b ) r o t a t i n gv i s c o m e t e r ( c ) o s c i l l a t i n gd i s cv i s c o m e t e r f i g 1 - 2t h ev i s c o s i t yo f h ei im e a s u r e db yt h r e ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e s 早期h ei i 粘度大多采用传统技术测量。传统技术主是指振动盘法和旋转圆 柱体扭转振动法。二者都是利用旋转圆盘或圆筒在流体中转动惯量的变化来实现 粘度测量。这两种传统技术在上世纪4 0 年代是为大多数研究人员普遍采用的方 法。在应用过程中发现，两种技术得到的h ei i 粘度数值之间存在一定偏差，而 这种差异已经超出了实验误差所允许的范围。 为了能够解决传统技术带给h ei i 粘度测量的种种问题，很多研究者针对h e i i 粘度进行了大量的实验。针对早期传统实验技术的缺陷，出现了一些改进方法 4 上海交通大学博士学位论文第一章 和装置，如石英圆柱体旋转振动法f 3 1 翊、微细金属丝横向振动法1 3 3 】、毛细管内的 流动传热法、声音衰减法、常角速度粘度计法等等。各种测量方法的原理不同， 测量结果也存在差异，当温度低于1 6k 时这种差异更加明显p 4 j 。因此，在不同 实验技术得到的h ei i 粘度数据组中，很少出现具有很好符合性的数据。这一现 象与在典型的传统方法之间出现的问题非常相似。 a n d r o n i k a s h v i l i t 2 9 l 针对毛细管内流动法测量h ei i 粘度的实验技术，对在数 据上产生的差异进行过理论分析和解释。对于旋转体振动法与振动盘法之间的数 据差异，虽然很早就已经被观察到了，但是至今还无法给出具体而又明确的理论 说明。而振动盘法产生的多组实验数据之间却可以达到很好的符合程度。微细金 属丝横向振动法所得到的数据【3 3 j ，可以与旋转圆柱体实验技术得到的h ei i 粘度 数据形成一定程度的符合。针对这个被认为较为特殊的实验，