中子管发热特征研究

作     者：韩靖卜 

作者单位：西京学院 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓华;肖江涛

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：中子管 温度分布 COMSOL Multiphysics模拟 

摘      要：中子管最有效益的应用是中子测井,石油测井用的小直径中子管需要在175摄氏度的高温环境中正常工作数小时,中子管内部的真空状态和外部的高温环境为其正常工作带来了挑战。真空状态使中子管内部产生的热量不易扩散,长时间工作会影响中子管的寿命和产额。随着近年来钻井深度的不断提高,又对其使用的环境温度提出了更高的要求,因此研究中子管发热特征,寻找改善和提高其耐高温能力的方法显得非常必要。然而目前对中子管发热特征的全面分析研究较为缺乏。本研究通过借助西安冠能中子探测技术有限公司(以下简称冠能公司)的地下实验室,对直径25mm的中子管进行了高温打靶实验,获得了其靶端外侧的最高温度。同时借助于Solid Works、COMSOL Multiphysics两款软件对中子管进行几何建模和仿真模拟,利用实验结果进行对比分析,对仿真模型进行检验、修正和优化。本研究包括以下几个方面:(1)理论方面:对中子管的几何结构特征和工作原理进行分析,获得了中子管的发热机制和各个部分热源功率大小。其中中子管的发热源包括:离子轰击靶面沉积的热量;零件表面上沉积的热量;气体存储器灯丝、阳极、靶上产生的焦耳热。靶面上核反应产生的热量太小可以忽略。利用各个零件的输入电功率,得到其相应的发热功率,从而建立等效的发热模型,为模拟仿真提供建模依据。(2)实验方面:依托冠能公司地下实验室在双层真空玻璃油罐中进行中子管温度实验研究,通过Pt100温度传感器测量油桶绝缘油温度,当油温达到稳定状态后进行打靶实验。将测温纸贴于中子管靶端外侧来获得其最高温度,经过2小时的连续高温打靶后观察测温纸颜色变化。实验结果表明,最高温度达到了193-199摄氏度。(3)仿真模拟:利用Solid Works软件搭建三维建模,并将重要数据进行参数化设置。接着将模型导入COMSOL Multiphysics物理场仿真软件中,分别对材料、物理场、网格、研究等节点下的相关数值进行设置。利用该软件的固体传热模块,设置相应的发热参数和环境温度,进行模拟仿真,得到其温度分布特征。结果显示,在175摄氏度的环境下,中子管连续打靶2小时后的靶面温度接近220摄氏度,靶端外测温度接近200摄氏度,这一结果与实验一致。本研究旨在揭示中子管在不同环境温度下长时间工作后的发热特性及温度分布特性。研究结果表明最高温度在靶面,并进一步获得了不同环境温度下,连续打靶后的靶面温度与打靶时间之间的关系。其结果为中子管在不同温度环境中的工程应用提供了指导。