浮力作用下液态金属包层内磁流体流动与传热特性研究
发布时间：2020-08-15 09:06
【摘要】：包层技术是聚变能实现的核心技术,而液态增殖包层因其好的导热和载热能力、高氚增殖能力等优点,是目前包层概念设计和ITER测试包层模块的主要方案之一。中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队设计了双功能铅锂增殖包层(Dual-functional Lithium Lead, DFLL),有两种运行模式：双冷铅锂增殖包层(Dual-cooled Lithium Lead,DLL)和单冷铅锂增殖包层(Quasi-Static Lithium Lead, SLL)。聚变堆液态包层处于强磁场环境,导电流体在磁场作用下流动会产生感应电流,形成磁流体动力学(MHD)效应,中子体积核热密度的不均匀分布梯度在重力作用下会形成浮力效应,两种效应剧烈改变液态增殖剂的流动与传热性能,影响热工结构的可靠性,关系到液态包层概念的可行性,其冷却剂出口温度影响聚变堆能量转换效率,关系到聚变堆的经济性,是液态金属包层特有的关键问题。本文以聚变堆液态金属包层存在的关键问题之一一浮力作用下的MHD流动传热为背景,研究包含浮力源项的高Hartmann数MHD数值模型与计算方法,开发并验证了适用于聚变堆液态包层高Hartmann数工况的MHD分析程序MTC-OpenFOAM版本。主要工作为：(1)根据聚变堆液态包层高Hartmann数MHD流动特点,选择合适的物理模型、流场求解算法、电场求解算法、浮力计算模型,完成磁流体分析程序MTC的开发,具备完善的不可压缩磁流体及浮力驱动流计算功能,可用于聚变堆工况下液态包层磁流体流动和传热分析；(2)根据强磁场下MHD湍流的特征,在现有MHD湍流雷诺平均模型的基础上,开发出适用于高Hartmann数的MHD湍流模型；(3)应用理论和实验算例对程序进行了验证,验证算例涵盖了从层流到湍流的各种工况,主要包括充分发展层流、三维层流、浮力驱动流、MHD湍流等。以大规模数值计算为主要手段,研究在聚变强磁场及非均匀的聚变中子核热沉积条件下液态包层热工水力特性,主要工作为：(1)从众多的ITER和DEMO液态包层设计中选取典型包层结构和热工水力参数范围,对其浮力效应特征进行详细的机理分析,总结出中子体积核热、FCI绝热性能、FCI电绝缘性能、流体流向对液态金属包层MHD浮力流强度的影响；发现为了实现高温出口,FCI材料导热率要低于1W/mK；(2)分析典型包层DFLL TBM的MHD浮力驱动流特征,评价其热工结构设计的可靠性,提供包层设计的优化方向。主要结论为：(1)SLL TBM的结构最高温度704K,满足结构材料要求,不需要进行优化；(2)DLLTBM的结构最高温度达1126K,很接近结构温度限制1270K,优化后的DLL TBM包层的增殖剂PbLi最高温度相比于优化前降低了96K,大幅提高结构安全裕量。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL61
【图文】：
图２．１液态包层的两类不同的端流状态区域ｎｗ逡逑（２）邋ＭＨＤn髂Ｐ脱芯肯肿村义隙肆魇的Ｄ庥校壤喾椒ǎ豪着灯骄椒ǎǎ遥粒危樱⒅苯邮的Ｄ猓ǎ模危樱╁义虾痛蠡瞿Ｄ猓ǎ蹋牛樱＃模危雍停蹋牛臃椒ǹ桑撞蹲降絶.流细节，计算精度高，但是逡逑
逦（ｂ）邋Ｒｅ＝１．０ｘ邋ｌ0ｓ是＆２0随邋Ｈａ邋变化逡逑图２．２导电管道二淮端流的无量纲瑞动能ｆｃｚＤ邋＝邋（ｕ＇２邋＋邋ｗ＇２）／逡逑图２．２是Ｂｕｒｒｔｗ嘴行的ＭＨＤ管道流实验的无量纲端动能随Ｒｅ和化的变逡逑化关系，民ｅ￡［１．５ｘｌ０＾１．０ｘｌ０５］，Ｈａｅ［６００，４８００］，接近液态金属包层的民ｅ逡逑和Ｈａ范围。图２．２邋（ｂ）展示了~.动能随Ｈａ数的关系，Ｈａ数变化对端动能强度逡逑影响很大，磁场降低８倍后，端动能降低了一个量级，二者强相关。而Ｒｅ数变逡逑化与端动能强度相关性不明显。扣ＩＷ模型和Ｋｅｎｊｅｒｅｓｆ＂＂ｌ模型对该实验算例计算逡逑时，两个模型均无法反应瑞动能随Ｈａ变化的规律。根据Ｂｉｉｈｌｅｒ的理论修正模型逡逑可ｉｉｌ准确反应端动能随Ｈａ变化的规律，可Ｗ认为理论修正模型的端流抑制速度逡逑因子中关于磁场的部分是正确的，但该模型的瑞流抑制速度因子ｅｘｐ邋Ｃｆ邋（＾１邋＋逡逑丈公咱＝ｅ邱（－Ｃｆ＾ｌ邋＋吉苗[欤┌隋澹遥迨挠跋欤庥胧笛楣鄄斓腻义希遥迨攵硕艿奈薰匦怨媛上辔ケ场Ｒ恢种惫鄣男拚椒ㄊ墙砺坌拚Ｐ椭绣义系模遥迨サ
本文编号：2793906
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL61
【图文】：
图２．１液态包层的两类不同的端流状态区域ｎｗ逡逑（２）邋ＭＨＤn髂Ｐ脱芯肯肿村义隙肆魇的Ｄ庥校壤喾椒ǎ豪着灯骄椒ǎǎ遥粒危樱⒅苯邮的Ｄ猓ǎ模危樱╁义虾痛蠡瞿Ｄ猓ǎ蹋牛樱＃模危雍停蹋牛臃椒ǹ桑撞蹲降絶.流细节，计算精度高，但是逡逑
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本文编号：2793906
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