非均匀导电壁对DCLL通道液态金属传热的影响
发布时间：2022-01-04 18:19
包层是核聚变堆中能量转换的关键部件。本文对包层通道中"磁-热-流-固"多物理场进行耦合仿真,研究了改变流道插件（Flow Channel Insert,FCI）和第一壁导电率分布对双冷锂铅包层通道内液态金属的流动与传热特性的影响。结果显示,绝缘条的加入降低了主流在绝缘条壁面附近温度,最高降温达到了15 K.入口速度和磁场强度的增加会减弱绝缘条对通道传热的影响;有流道插件通道加入导电条后,通道在Y方向上温度的不均匀分布得到改善,导电条对通道传热影响的程度随着入口速度的增大而愈加显著。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１通道ｘｏｙ截面??Ｆｉｇ．?１?ｘｏｖ?ｓｅｃｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｃｈａｎｎｅｌｓ??所有通道所施加磁场为－ｙ方向
４程序及网格验证??１．４．１程序验证??为了验证程序对ＭＨＤ流的计算能力，本文将??模拟结果与Ｈｕｎｔ?［１７］的解析解进行了对比，二者能??够很好地吻合，验证了程序的准确性。Ｈｕｎｔ所分析??的通道模型为长０．０４?ｍ、壁厚１?ｍｍ的矩形通道，其??截面是０．０２２?ｍｘＯ．０２２?ｍ的正方形。通道四个壁面??均为绝热壁面，其中与磁场方向平行的为导电壁面，??而垂直于磁场方向的为绝缘壁面。对通道入口速度??为０．０１?ｉｎ．ｓ－１、磁场强度为２．３?Ｔ的工况进行计算如??图２。??（ａ）侧层速度??（ａ）?Ｌａｔｅｒａｌ?ｌａｙｅｒ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??（ｂ）哈特曼层速度??（ｂ）?Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｌａｙｅｒ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??图２尺ｅ＝１０００、Ｈａ＝５００时速度值??Ｆｉｇ．?２?Ｓｐｅｅｄ?ｖａｌｕｅ?ｗｈｅｎ?ｉ？ｅ＝１０００?ａｎｄ?Ｈａ＝５００??１．４．２网格验证??表２给出了进口速度为０．０６?ｍ．ｓ－１，磁场强度??为１?Ｔ时，无插件通道三种网格数下通道压降和出??口的最大速度，当网格数量为Ｍ２和Ｍ３时，通道??压降相对误差小于０．６２％，出口最大速度相对误差小??于０．０９％，可以认为网格Ｍ２和Ｍ３可以满足计算需??求。综合考虑计算精度和计算资源，选择采用Ｍ２网??格进行计算。??表２出口最大速度??Ｔａｂｌｅ?２?Ｍａｘｉｍｕｍ?ｏｕｔｌｅｔ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??变量??网格??数Ｍ??通道?出口的最大??压降／Ｐａ速度／ｎｖｓ－１??压降相对??误差／％??速度相对??误差／％??Ｍｌ??５４ｘ６８ｘ７０??１６．１７??０．０７６９３??１．７６??０．
ｓ??图３?Ｚ＝０．９７ｍ截面温度分布??Ｆｉｇ．?３?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｚ?＝?０．９７?ｍ?ｓｅｃｔｉｏｎ??图４对两种通道在边界层附近ｙ＝０?ｍ线上温??度分布进行对比，可以看见绝缘条的加入有效降低??了主流在绝缘条壁面附近温度，两种通道温差大小??呈先增大后减小的趋势，温差最大达到了?１５?Ｋ。??图４温度分布（２＝０．８?ｍ，ｍ）??Ｆｉｇ．?４?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（Ｚ＝０．８?ｍ，?Ｙ＝０?ｍ）??图５对两种通道在Ｘ＝－０．１０６９?ｍ截面上的温??度进行了对比，该截面十分接近绝缘条壁。在此截??２计算结果??２．１无ＦＣＩ通道??２．１．１温度分布??以入口速度为０．０６?ｍ．ｓ－１，磁场强度大小为１?Ｔ??工况为例，对无ＦＣＩ通道进行分析。??图３展示了通道出口温度分布。将图３（ａ）和??３（ｂ）对比，可以发现，增加绝缘条后，绝缘条壁面??附近温度变得更加均匀平缓。相比于无绝缘条通道，??水平绝缘条通道９５０?Ｋ以上温度所占区域更校在??远离绝缘条端，两种通道温度分布一致。??面上，无绝缘条通道的温度等值线分布呈“Ｍ”型分??布，有绝缘条通道等值线虽然也呈“Ｍ”型分布，但??其温度等值线分布更加尖锐，即中心温度增加速度??远小于无绝缘条通道。在有绝缘条通道的出口端，由??于强洛伦兹力的作用，在上下绝缘条附近出现了小??范围的回流。??ｒ／Ｋ??ｒ／Ｋ??１．１５１??＇?ｖ：??？３〇?７３Ｓ?％?＇?％?７５〇??「卜乂?，－＾?－一’??各／孩泰??０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??Ｚ／ｍ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温包层内多层插件流道内液态铅锂MHD流动数值分析[J]. 张恒,孟孜,周涛,柏云清. 核科学与工程. 2016(06)
[2]多物理场中不同结构特征FCI的力学行为分析[J]. 李明健,陈龙,倪明玖,张年梅. 应用数学和力学. 2015(03)
[3]聚变包层的螺旋槽纹管强化换热分析[J]. 黎俊亨,黄荣华,曹浩然. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]聚变堆液态包层MHD效应的研究现状与发展[J]. 汪卫华,陈侠. 舰船电子工程. 2012(04)
[5]液态包层流动通道插件三维MHD效应数值模拟[J]. 许世京,倪明玖,王增辉. 工程热物理学报. 2011(11)
[6]球凸板对磁场中导电流体自由表面流动的传热强化[J]. 李博,黄护林. 化工学报. 2009(07)
[7]通道插件管道MHD效应初步实验结果[J]. 许增裕,潘传杰,张秀杰,赵丽,张键,杨国骥. 核聚变与等离子体物理. 2009(01)
[8]ITER中国液态锂铅实验包层模块设计研究与实验策略[J]. 吴宜灿,汪卫华,刘松林,黄群英,郑善良,王红艳,陈红丽,陈明亮,柏云清,宋勇,章毛连,柯严,李春京,李艳芬,胡丽琴,刘萍,李静惊,李莹,许德政,曾勤,陈义学. 核科学与工程. 2005(04)
本文编号：3568834
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１通道ｘｏｙ截面??Ｆｉｇ．?１?ｘｏｖ?ｓｅｃｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｃｈａｎｎｅｌｓ??所有通道所施加磁场为－ｙ方向
４程序及网格验证??１．４．１程序验证??为了验证程序对ＭＨＤ流的计算能力，本文将??模拟结果与Ｈｕｎｔ?［１７］的解析解进行了对比，二者能??够很好地吻合，验证了程序的准确性。Ｈｕｎｔ所分析??的通道模型为长０．０４?ｍ、壁厚１?ｍｍ的矩形通道，其??截面是０．０２２?ｍｘＯ．０２２?ｍ的正方形。通道四个壁面??均为绝热壁面，其中与磁场方向平行的为导电壁面，??而垂直于磁场方向的为绝缘壁面。对通道入口速度??为０．０１?ｉｎ．ｓ－１、磁场强度为２．３?Ｔ的工况进行计算如??图２。??（ａ）侧层速度??（ａ）?Ｌａｔｅｒａｌ?ｌａｙｅｒ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??（ｂ）哈特曼层速度??（ｂ）?Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｌａｙｅｒ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??图２尺ｅ＝１０００、Ｈａ＝５００时速度值??Ｆｉｇ．?２?Ｓｐｅｅｄ?ｖａｌｕｅ?ｗｈｅｎ?ｉ？ｅ＝１０００?ａｎｄ?Ｈａ＝５００??１．４．２网格验证??表２给出了进口速度为０．０６?ｍ．ｓ－１，磁场强度??为１?Ｔ时，无插件通道三种网格数下通道压降和出??口的最大速度，当网格数量为Ｍ２和Ｍ３时，通道??压降相对误差小于０．６２％，出口最大速度相对误差小??于０．０９％，可以认为网格Ｍ２和Ｍ３可以满足计算需??求。综合考虑计算精度和计算资源，选择采用Ｍ２网??格进行计算。??表２出口最大速度??Ｔａｂｌｅ?２?Ｍａｘｉｍｕｍ?ｏｕｔｌｅｔ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??变量??网格??数Ｍ??通道?出口的最大??压降／Ｐａ速度／ｎｖｓ－１??压降相对??误差／％??速度相对??误差／％??Ｍｌ??５４ｘ６８ｘ７０??１６．１７??０．０７６９３??１．７６??０．
ｓ??图３?Ｚ＝０．９７ｍ截面温度分布??Ｆｉｇ．?３?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｚ?＝?０．９７?ｍ?ｓｅｃｔｉｏｎ??图４对两种通道在边界层附近ｙ＝０?ｍ线上温??度分布进行对比，可以看见绝缘条的加入有效降低??了主流在绝缘条壁面附近温度，两种通道温差大小??呈先增大后减小的趋势，温差最大达到了?１５?Ｋ。??图４温度分布（２＝０．８?ｍ，ｍ）??Ｆｉｇ．?４?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（Ｚ＝０．８?ｍ，?Ｙ＝０?ｍ）??图５对两种通道在Ｘ＝－０．１０６９?ｍ截面上的温??度进行了对比，该截面十分接近绝缘条壁。在此截??２计算结果??２．１无ＦＣＩ通道??２．１．１温度分布??以入口速度为０．０６?ｍ．ｓ－１，磁场强度大小为１?Ｔ??工况为例，对无ＦＣＩ通道进行分析。??图３展示了通道出口温度分布。将图３（ａ）和??３（ｂ）对比，可以发现，增加绝缘条后，绝缘条壁面??附近温度变得更加均匀平缓。相比于无绝缘条通道，??水平绝缘条通道９５０?Ｋ以上温度所占区域更校在??远离绝缘条端，两种通道温度分布一致。??面上，无绝缘条通道的温度等值线分布呈“Ｍ”型分??布，有绝缘条通道等值线虽然也呈“Ｍ”型分布，但??其温度等值线分布更加尖锐，即中心温度增加速度??远小于无绝缘条通道。在有绝缘条通道的出口端，由??于强洛伦兹力的作用，在上下绝缘条附近出现了小??范围的回流。??ｒ／Ｋ??ｒ／Ｋ??１．１５１??＇?ｖ：??？３〇?７３Ｓ?％?＇?％?７５〇??「卜乂?，－＾?－一’??各／孩泰??０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??Ｚ／ｍ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温包层内多层插件流道内液态铅锂MHD流动数值分析[J]. 张恒,孟孜,周涛,柏云清. 核科学与工程. 2016(06)
[2]多物理场中不同结构特征FCI的力学行为分析[J]. 李明健,陈龙,倪明玖,张年梅. 应用数学和力学. 2015(03)
[3]聚变包层的螺旋槽纹管强化换热分析[J]. 黎俊亨,黄荣华,曹浩然. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]聚变堆液态包层MHD效应的研究现状与发展[J]. 汪卫华,陈侠. 舰船电子工程. 2012(04)
[5]液态包层流动通道插件三维MHD效应数值模拟[J]. 许世京,倪明玖,王增辉. 工程热物理学报. 2011(11)
[6]球凸板对磁场中导电流体自由表面流动的传热强化[J]. 李博,黄护林. 化工学报. 2009(07)
[7]通道插件管道MHD效应初步实验结果[J]. 许增裕,潘传杰,张秀杰,赵丽,张键,杨国骥. 核聚变与等离子体物理. 2009(01)
[8]ITER中国液态锂铅实验包层模块设计研究与实验策略[J]. 吴宜灿,汪卫华,刘松林,黄群英,郑善良,王红艳,陈红丽,陈明亮,柏云清,宋勇,章毛连,柯严,李春京,李艳芬,胡丽琴,刘萍,李静惊,李莹,许德政,曾勤,陈义学. 核科学与工程. 2005(04)
本文编号：3568834
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