高热负荷环境下流动液态金属传热行为的流体模拟

发布时间：2017-09-22 06:09

  本文关键词：高热负荷环境下流动液态金属传热行为的流体模拟

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【摘要】：选择何种材料作为聚变堆中面对等离子体部件(Plasma-facing components),如偏滤器靶板和聚变腔室第一壁,一直是困扰聚变研究人员的一大难题。和固体PFC相比,液态金属PFC具有自身循环流动、自我更新和修复能力,持续带出热量并保护其后面的高Z固体壁少受损害,减小堆芯等离子体的杂质污染程度等优点,是非常有前景的PFC候选材料。世界上很多国家相继建立了液态金属回路来研究聚变等离子体和液态金属之间的相互作用,本课题组也在高密度等离子体发生装置基础上搭建了循环流动液态锂回路。本文主要研究回路中液态锂与等离子体相互作用的流动传热问题,也考察了液态锡作为计算流体时的温度和速度变化情况,并与液态锂的计算结果做了比较。本文应用商业软件ANSYS CFX计算了等离子体热流密度和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布和速度分布的影响。结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热流密度的增大线性升高,在冷却水流速为1.5 m/s的条件下,热流密度为0.1 MW/m2和1 MW/m2时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3℃和458.6℃。液态锂流速增大,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。本文还计算了液态锂流速、热流密度、冷却水流速和温度对冷却水冷却效率的影响。结果表明:液态锂温度随液态锂流速的增大而降低,热流密度小于2 MW/m2时,水冷能够满足对液态锂温度控制的要求,在更大热流密度作用下,水冷显现出冷却能力不足。增大冷却水流速是降低液态锂温度、提高冷却效率的有效途径,冷却水温度对液态锂温度和冷却效率的影响较小。此外,本文还重新设计了自由液态锡表面的流体结构模型,计算了初始流速和热流密度不同时液态锡的速度变化和温度变化,得到了流动液态锡的速度分布和温度分布。结果表明垂直流动方向液态锡流速较为均匀,沿流动方向液态锡流速逐渐增大、液态锡液面厚度逐渐变薄。初始温度为600 K的条件下,热流密度为1 MW/m2时,液态锡出口温度为623.38 K;热流密度为5 MW/m2时,液态锡出口温度为720.18 K。在相同条件下使用液态锂作为计算流体,结果表明出口处液态锂的温度低于液态锡的温度。
【关键词】：PFC 液态锂 流动传热 液态锡 ANSYS
【学位授予单位】：西南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG14
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第1章 前言8-12
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 液态锂在聚变中的研究现状9-11
• 1.3 本文研究内容11-12
• 第2章 结构设计和研究方法12-26
• 2.1 液态锂回路系统12-17
• 2.1.1 单阴极高密度等离子体发生装置介绍12-13
• 2.1.2 液态锂回路介绍13-16
• 2.1.3 分流器结构设计16-17
• 2.2、计算方法和边界条件17-25
• 2.2.1 锂的热物理化学性质和核物理性质17-20
• 2.2.2 计算原理和计算流程20-22
• 2.2.3 边界条件和求解条件设置22-23
• 2.2.4 求解计算和结果后处理23-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 流动液态锂与热负荷相互作用的计算26-43
• 3.1 热流密度对液态锂温度和速度分布的影响26-32
• 3.2 初始流速对液态锂温度和速度分布的影响32-36
• 3.3 冷却效率及其影响因素36-41
• 3.3.1 冷却效率的计算36
• 3.3.2 数值计算和软件模拟结果的比较36-38
• 3.3.3 冷却效率的影响因素38-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第4章 流动液态锡与热负荷相互作用的计算43-58
• 4.1 引言43-44
• 4.2 流体模型和边界条件44-50
• 4.2.1 液态锡的性质44-45
• 4.2.2 自由流动液态锡结构设计45-47
• 4.2.3 边界条件设置47-49
• 4.2.4 求解设置和结果处理49-50
• 4.3 计算结果50-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第5章 结论与展望58-60
• 5.1 结论58-59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-66
• 以第一作者身份发表的论文66-67
• 致谢67-69

【共引文献】

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本文编号：899182