水冷包层子模块复杂结构流量分配特性研究

发布时间：2020-04-12 12:53

【摘要】：在中国聚变工程实验堆的候选包层设计概念中,水冷固态增殖包层(WCSB)相对氦气及液态金属冷却有更好的研究基础与更大的研究价值,在这种设计概念的包层里,中子倍增区与氚增殖区均采用了固态球床设计,以高温高压液态水为冷却剂导出核热。水冷包层热工设计的关键点之一,就是对包含两个完全相同子模块的包层模块进行设计,子模块由数个结构复杂、包含大量并联通道的管板组成,这就会存在通道间流量分配的问题,该问题会直接影响到聚变能的有效导出。因此,在对水冷包层模块进行热工设计时,必须考虑并联通道间流量分配的均匀性问题。首先,针对CFETR水冷包层初步设计了其子模块的第一壁与侧壁管板,为了获得冷却剂流动的细节描述,本文采用ANSYS CFX对包层子模块内第一壁与侧壁的设计方案进行了建模分析,解明其稳态流量分配的规律。然后,为了研究入口集合管在不同几何结构下,并联通道间冷却剂流量分配特性,本文从入口集合管截面几何形状、冷却剂入口方向以及并联通道位置三个方面考虑进行了数值模拟,分析表明,采用矩形截面入口集合管,并且当冷却剂入口方向垂直于集合管长度方向时,这样的结构更有利于第一壁并联通道均匀分布;侧壁入口集合管采用宽高比较大的矩形截面时,并联通道间流量分配更加均匀。随后,针对面向等离子体的第一壁进行了外加热流密度以及流量衰减工况的初步研究,结果表明该结构的并联通道内冷却剂分布能够完全将热量导出,并且保证最高温度不超过材料温度限值;而在失流事故(LOFA)下,第一壁内不会产生因流动瞬态引起的通道间流量脉动。在对第一壁与侧壁进行数值模拟研究后,参考现代压水堆系冷却系统设计了流量分配实验装置,主要包括主回路各设备以及数据采集控制等相关辅助系统。然后进行了实验装置的稳态调试以及针对第一壁与侧壁并联通道流量分配的初步实验研究,最后基于相似理论与原设计方案设计了完整的第一壁流量分配实验段并对设计结果进行了数值模拟验证,为后续更深入的研究提供参考。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL62

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本文编号：2624738