CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure
The procedure of the device under HF heating and turbulent liquid cooling displacement analysis by means of existent program code is presented. The spatial computational cell size and other requirements ensuring the needed computational accuracy are formulated. In order to illustrate the procedure...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78860 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure / S.A. Zhelezov, S.T. Nazarenko, V.V. Porkhaev, A.V. Telnov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 103-105. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78860 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Zhelezov, S.A. Nazarenko, S.T. Porkhaev, V.V. Telnov, A.V. 2015-03-22T08:38:35Z 2015-03-22T08:38:35Z 2006 CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure / S.A. Zhelezov, S.T. Nazarenko, V.V. Porkhaev, A.V. Telnov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 103-105. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.17.+w https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78860 The procedure of the device under HF heating and turbulent liquid cooling displacement analysis by means of existent program code is presented. The spatial computational cell size and other requirements ensuring the needed computational accuracy are formulated. In order to illustrate the procedure developed an example analysis of the Electron Resonance Accelerator of a mean beam power up to 300 kW cooling efficiency and deformation is provided. Представлена методика подготовки заданий по расчету в существующих программных комплексах деформации конструкций, подверженных нагреву токами высокой частоты и охлаждению турбулентным течением жидкости. Определены требования к размеру пространственной счётной ячейки и другие условия, обеспечивающие необходимую точность расчётов. Приведен расчет эффективности охлаждения и деформаций корпуса электронного ускорителя непрерывного действия со средней мощностью пучка до 300 кВт, основанный на связанном анализе протекающих процессов и иллюстрирующий применение представленной методики. Представлено методику підготовки завдань по розрахунку в діючих програмних комплексах деформації конструкцій, що схильні до нагріву струмами високої частоти та охолодженню турбулентною течією рідини. Визначені вимоги щодо розміру просторової розрахункової комірки та інші умови, що гарантують потрібну точність розрахунку. Приведено розрахунок ефективності охолоджування та деформації корпусу електронного прискорювача безперервної дії з середньою потужністю пучка до 300 кВт, оснований на зв’язаному аналізу перебігу процесів та ілюструючий застосування представленої методики. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Линейные ускорители заряженных частиц CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure Электронный ускоритель непрерывного действия. Методика подготовки заданий по расчету эффективности охлаждения и деформации резонатора Електронний прискорювач безперервної дії. Методика підготовки завдань по розрахунку ефективності охолоджування та деформації резонатору Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| spellingShingle |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure Zhelezov, S.A. Nazarenko, S.T. Porkhaev, V.V. Telnov, A.V. Линейные ускорители заряженных частиц |
| title_short |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| title_full |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| title_fullStr |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| title_full_unstemmed |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| title_sort |
cw electron accelerator. resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure |
| author |
Zhelezov, S.A. Nazarenko, S.T. Porkhaev, V.V. Telnov, A.V. |
| author_facet |
Zhelezov, S.A. Nazarenko, S.T. Porkhaev, V.V. Telnov, A.V. |
| topic |
Линейные ускорители заряженных частиц |
| topic_facet |
Линейные ускорители заряженных частиц |
| publishDate |
2006 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Электронный ускоритель непрерывного действия. Методика подготовки заданий по расчету эффективности охлаждения и деформации резонатора Електронний прискорювач безперервної дії. Методика підготовки завдань по розрахунку ефективності охолоджування та деформації резонатору |
| description |
The procedure of the device under HF heating and turbulent liquid cooling displacement analysis by means of
existent program code is presented. The spatial computational cell size and other requirements ensuring the needed
computational accuracy are formulated. In order to illustrate the procedure developed an example analysis of the
Electron Resonance Accelerator of a mean beam power up to 300 kW cooling efficiency and deformation is provided.
Представлена методика подготовки заданий по расчету в существующих программных комплексах деформации конструкций, подверженных нагреву токами высокой частоты и охлаждению турбулентным течением жидкости. Определены требования к размеру пространственной счётной ячейки и другие условия, обеспечивающие необходимую точность расчётов. Приведен расчет эффективности охлаждения и деформаций корпуса электронного ускорителя непрерывного действия со средней мощностью пучка до 300 кВт, основанный на связанном анализе протекающих процессов и иллюстрирующий применение представленной методики.
Представлено методику підготовки завдань по розрахунку в діючих програмних комплексах деформації
конструкцій, що схильні до нагріву струмами високої частоти та охолодженню турбулентною течією рідини.
Визначені вимоги щодо розміру просторової розрахункової комірки та інші умови, що гарантують потрібну
точність розрахунку. Приведено розрахунок ефективності охолоджування та деформації корпусу
електронного прискорювача безперервної дії з середньою потужністю пучка до 300 кВт, оснований на
зв’язаному аналізу перебігу процесів та ілюструючий застосування представленої методики.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78860 |
| citation_txt |
CW electron accelerator. Resonator cooling efficiency and thermal strain coupled analysis procedure / S.A. Zhelezov, S.T. Nazarenko, V.V. Porkhaev, A.V. Telnov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 103-105. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT zhelezovsa cwelectronacceleratorresonatorcoolingefficiencyandthermalstraincoupledanalysisprocedure AT nazarenkost cwelectronacceleratorresonatorcoolingefficiencyandthermalstraincoupledanalysisprocedure AT porkhaevvv cwelectronacceleratorresonatorcoolingefficiencyandthermalstraincoupledanalysisprocedure AT telnovav cwelectronacceleratorresonatorcoolingefficiencyandthermalstraincoupledanalysisprocedure AT zhelezovsa élektronnyiuskoritelʹnepreryvnogodeistviâmetodikapodgotovkizadaniiporasčetuéffektivnostiohlaždeniâideformaciirezonatora AT nazarenkost élektronnyiuskoritelʹnepreryvnogodeistviâmetodikapodgotovkizadaniiporasčetuéffektivnostiohlaždeniâideformaciirezonatora AT porkhaevvv élektronnyiuskoritelʹnepreryvnogodeistviâmetodikapodgotovkizadaniiporasčetuéffektivnostiohlaždeniâideformaciirezonatora AT telnovav élektronnyiuskoritelʹnepreryvnogodeistviâmetodikapodgotovkizadaniiporasčetuéffektivnostiohlaždeniâideformaciirezonatora AT zhelezovsa elektronniipriskorûvačbezperervnoídíímetodikapídgotovkizavdanʹporozrahunkuefektivnostíoholodžuvannâtadeformacíírezonatoru AT nazarenkost elektronniipriskorûvačbezperervnoídíímetodikapídgotovkizavdanʹporozrahunkuefektivnostíoholodžuvannâtadeformacíírezonatoru AT porkhaevvv elektronniipriskorûvačbezperervnoídíímetodikapídgotovkizavdanʹporozrahunkuefektivnostíoholodžuvannâtadeformacíírezonatoru AT telnovav elektronniipriskorûvačbezperervnoídíímetodikapídgotovkizavdanʹporozrahunkuefektivnostíoholodžuvannâtadeformacíírezonatoru |
| first_indexed |
2025-11-24T11:37:29Z |
| last_indexed |
2025-11-24T11:37:29Z |
| _version_ |
1850845404923428864 |
| fulltext |
CW ELECTRON ACCELERATOR. RESONATOR COOLING EFFICIEN-
CY AND THERMAL STRAIN COUPLED ANALYSIS PROCEDURE
S.A. Zhelezov, S.T. Nazarenko, V.V. Porkhaev, A.V. Telnov
RNFC-VNIIEF
37 Mir ave., Sarov, Nizhniy Novgorod region, 607190, Russia
E-mail: Zhelezov@expd.vniief.ru
The procedure of the device under HF heating and turbulent liquid cooling displacement analysis by means of
existent program code is presented. The spatial computational cell size and other requirements ensuring the needed
computational accuracy are formulated. In order to illustrate the procedure developed an example analysis of the
Electron Resonance Accelerator of a mean beam power up to 300 kW cooling efficiency and deformation is provid-
ed.
PACS: 29.17.+w
INTRODUCTION
To accelerate electrons in the resonator of the accel-
erator developed by VNIIEF [1], proper electromagnetic
oscillations with 100 MHz frequency are excited. Dissi-
pative losses of high-frequency electromagnetic field
(HF field) are related to induction of the high-frequency
currents (HFC) in resonator walls. Under the action of
currents the resonator walls are heated. This leads to
displacement of the resonator case, violation of field
distribution inside it, change of resonance frequency and
decrease of Q-factor. Heat from the resonator walls is
removed through washing of its outer surface by dem-
ineralized water flow pumped through the channels of
the cooling jacket.
The described process is modeled by performing the
coupled analysis cycle depicted in Fig.1.
Fig.1. Coupled analysis cycle
Heat flux distribution is calculated from the current
distribution known on the basis of electromagnetic
(EМ) analysis. Heat fluxes serve as loads in the thermal
analysis. Temperatures calculated in the thermal analy-
sis are transferred to the structural one. In the latter
there are calculated coordinates of displaced geometry
for the repeated EМ analysis.
The proposed coupled analysis cycle is realized as a
sequence of four calculation stages. Each stage is solved
with the aid of common-purpose software available at
VNIIEF.
At the first stage, a problem of high-frequency elec-
tromagnetic analysis of the accelerating structure is
solved. The specific features of this calculation are pre-
sented in ref. [1].
At the stage of the thermal analysis the cooling
channel distribution over the model surface is optimized
and the required film coefficients are estimated. Tem-
perature field in the structure is calculated.
During thermohydraulic analysis the parameters of
cooling agent able to provide the required film coeffi-
cients are calculated.
In the structural analysis, the structure displacement
due to its thermal expansion is determined.
1. THERMAL ANALYSIS
Within the bounds of thermal analysis the problem
of steady-state heat conduction is solved by means of fi-
nite element technique. Heat fluxes of loss power serve
as loads. Heat is removed through specifying the con-
vection conditions for each cooled surface. In the course
of a series of thermal analysis the film coefficients are
selected. The goal is that the maximum temperature at
any model point should not exceed the specified ulti-
mate value Tmax.
Heat fluxes are applied elementwise. The closest
node of EM model is searched for each finite element of
the heated surface. Basing upon the value of the surface
current J in the node the mean heat flux per finite ele-
ment is calculated:
2
2 3 4 0iq K K K J fτ π ρ µўў= (1)
Here the factor K2 averages the value of sinusoidal
signal over time; K3 takes into account resonator filling
by radiofrequency power; K4 is the loss power safety
factor.
In order to check the adequacy of inter-model trans-
lation of the heat load total loss power on the whole ap-
plication surface is calculated. In the case of its signifi-
cant deviation from the value known from the EM anal-
ysis, the size of the finite element decreases, and the
process of heat load application is repeated.
2. THERMOHYDRAULIC ANALYSIS
The averaged parameters of the cooling agent pro-
viding the film coefficients selected in the thermal anal-
ysis are preliminarily estimated with the aid of the
known empirical relations. For short we will name this
type of calculation “thermohydraulic analysis –
method 1”. In the course of the calculation series,
among others, the initial flow rate and temperature of
cooling agent are determined. These values are used as
the initial conditions for refined thermo-hydrodynamic
check-up of the developed design.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.103-105. 103
Surface Current Temperature
Heat Flux
Displacement
Within the frames of the refined thermohydraulic
analysis (“Method 2”) a thermo-hydrodynamic problem
of the steady-state incompressible fluid flow is solved
by the finite element technique. As a result of this solu-
tion temperature distribution in both solid and hydrody-
namic model areas as well as pressures and velocities in
the hydrodynamic area are determined.
The thermo-hydrodynamic problem is highly non-
linear one. As the applied software provides the first or-
der finite element only for hydrodynamic problem solv-
ing, the accuracy of Nusselt number Nu computation is
closely related to the discretization of the model bound-
ary layer (Fig.2).
For the thermo-hydrodynamic analysis of the accel-
erator under development, discretization degree corre-
sponding to Nu calculation accuracy not worse than
10% was selected.
Fig.2. Influence of boundary layer thickness discretiza-
tion on Nusselt number computation accuracy
Eddy viscosity of cooling agent is calculated using a
turbulence model SST [2], allowing rather an accurate
computation of Nu within a wide range of Reynolds
numbers.
Fig.3. Oscillations of the absolute average values of de-
gree of freedom PRES
Decision on hydrodynamic problem completion is
taken basing upon the magnitude of oscillation of the
absolute average values of the degrees of freedom
(DOF) less than 1% (Fig.3).
3. STRUCTURAL ANALYSIS
Within the frames of the structural analysis the
steady-state problem of thermal expansion is solved by
the finite element technique. Nodal temperatures calcu-
lated in the thermal analysis serve as the loads at this
stage. If necessary, additional loads, for example, ambi-
ent pressure, hydrodynamic pressure, gravity force etc.
can be taken into account.
The field of displacements calculated from the struc-
tural analysis is output as a table and is available as ini-
tial geometry in the repeated EM analysis.
4. PROCEDURE APPLICATION
In conclusion, in order to illustrate the presented
procedure application, let us present a typical computa-
tion of cooling efficiency and displacements of one of
the variants of the developed accelerator case.
In this variant (Fig.4), the cooling agent (demineral-
ized water) enters into the cooling jacket through the
central pipe along the resonator axis and washes the
case going through the annular cooling channel. Heat
flux of the loss power is distributed along the resonator
internal surface.
Fig.4. Resonator problem sketch
The heat load is calculated according to formula (1)
and is shown in Fig.5 with arrows. Irregularity of heat
load is almost four orders: the longest length of the ar-
row corresponds to the heat flux of about 80 kW/m2 and
the shortest one to that less than 14 W/m2.
Fig.5. Heat flux distribution along the case
The analysis has been performed using the cooling
agent flow rate of 100 l/min. Water temperature at the
entrance was 15°С. Additionally, ambient pressure of
1 atmosphere was taken into account.
Calculation has shown that the cooling agent when
passing the coolant loop will warm up by about 15°.
The resonator case will warm up irregularly. The maxi-
mum temperature will reach ~135ºC on the inner case
__________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2005. № 8.
Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.94-96.
94
surface in the vicinity of cross-section 2 (Fig.4). The
minimal temperature will be ~16ºC on the horizontal
symmetry plane in the vicinity of the smaller radius of
the case. In this case the maximal axial displacement of
the case will be about 1.5 mm, the diametric one – about
0.9 mm. The water temperature in the thin boundary
layer in the vicinity of cross-section 2 reaches the boil-
ing-point.
Fig.6. Resonator case displacement
The pressure difference required to ensure the pre-
scribed flow rate is about 0.04 atm. The character of the
case displacement under the action of the HF field loss
power and atmospheric pressure is shown in Fig.6.
CONCLUSION
A procedure of related Thermo-Hydro-Structural
analysis of the accelerator being developed by VNIIEF
is proposed. A technique for translation of the surface
current distribution to the distribution of heat fluxes is
proposed. The dependence of the calculation of Nu cri-
terion on the degree of discretization of the thermo-hy-
draulic model boundary layer is found. To solve the de-
veloped accelerator problems, a discretization degree is
selected that corresponds to accuracy of hydrodynamic
computation no worse than 10%. It is suggested that the
turbulence model SST should be used for calculation of
induced cooling fluid viscosity. It is suggested that the
decision on the hydrodynamic problem completion
should be made when the absolute average degree of
freedom oscillation is less than 1%. Using the proposed
calculation cycle is demonstrated by a practical example
of Thermo-Hydro-Structural analysis of the developed
accelerator resonator case.
REFERENCES
1. N.V. Zavyalov et al. CW electron accelerator. De-
sign and electro-physics characteristics // this issue,
p.8-10.
2. F.R. Menter. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbu-
lence Models for Engineering Applications // AIAA
Journal. 1994, v.32, p.1598-1605.
ЭЛЕКТРОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ. МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ЗА-
ДАНИЙ ПО РАСЧЕТУ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ РЕЗОНАТОРА
С.А. Железов, С.Т. Назаренко, В.В. Порхаев, А.В. Тельнов
Представлена методика подготовки заданий по расчету в существующих программных комплексах де-
формации конструкций, подверженных нагреву токами высокой частоты и охлаждению турбулентным тече-
нием жидкости. Определены требования к размеру пространственной счётной ячейки и другие условия,
обеспечивающие необходимую точность расчётов. Приведен расчет эффективности охлаждения и деформа-
ций корпуса электронного ускорителя непрерывного действия со средней мощностью пучка до 300 кВт,
основанный на связанном анализе протекающих процессов и иллюстрирующий применение представленной
методики.
ЕЛЕКТРОННИЙ ПРИСКОРЮВАЧ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ. МЕТОДИКА ПІДГОТОВКИ ЗАВДАНЬ ПО
РОЗРАХУНКУ ЕФЕКТИВНОСТІ ОХОЛОДЖУВАННЯ ТА ДЕФОРМАЦІЇ РЕЗОНАТОРУ
С.А. Жєлєзов, С.Т. Назарєнко, В.В. Порхаєв, А.В. Тєльнов
Представлено методику підготовки завдань по розрахунку в діючих програмних комплексах деформації
конструкцій, що схильні до нагріву струмами високої частоти та охолодженню турбулентною течією рідини.
Визначені вимоги щодо розміру просторової розрахункової комірки та інші умови, що гарантують потрібну
точність розрахунку. Приведено розрахунок ефективності охолоджування та деформації корпусу
електронного прискорювача безперервної дії з середньою потужністю пучка до 300 кВт, оснований на
зв’язаному аналізу перебігу процесів та ілюструючий застосування представленої методики.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.103-105. 103
ЭЛЕКТРОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ. МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ЗАДАНИЙ ПО РАСЧЕТУ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ РЕЗОНАТОРА
електронний прискорювач безперервної дії. методика підготовки завдань по розрахунку ефективності охолоджування та деформації резонатору
|