边界局域模热负荷对钨偏滤器靶板侵蚀的模拟研究

发布时间：2018-02-08 19:32

  本文关键词： 数值模拟 边界局域模热流 钨偏滤器靶板 熔化 流动　出处：《大连理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：等离子体面壁材料的选择是聚变装置托卡马克的关键问题,但到目前为止,还没有真正合适的材料。钨材料因为具有热导率高、熔点高、溅射率低、氚滞留率低等优点,成为首选的面壁材料。但是钨材料在高瞬时热流的作用下会熔化、汽化,熔化层在各种力(如表面张力、磁场力、压强梯度力等)作用下的流动,导致材料形貌变化,影响材料的传热能力,诱发电弧,甚至液体钨会以液滴的形式飞溅出去。这些作用不但缩短器壁的寿命,而且产生的钨杂质(原子、尘埃颗粒、液滴)将严重威胁等离子体运行。因此对瞬时热流作用下钨材料侵蚀的研究至关重要。本论文利用数值方法模拟研究了边界局域模(edge localized modes, ELMs)热负荷对钨偏滤器靶板的侵蚀。在未来聚变装置例如国际热核聚变实验反应堆(ITER)中强ELMs作用下,钨偏滤器靶板会熔化,甚至汽化。在熔化和汽化过程中,相变界面随时间不断变化,熔化层流动也会导致液体表面的位置随时间不断变化。本论文根据研究问题的需要,对所建立的模型采用有限体积法追踪界面的位置,较理想地计算了钨壁各个时刻的熔化速度及界面位置。论文在第一章绪论中介绍了工作的研究背景,第五章结论展望部分阐述了本工作的主要结论和创新点,其它各章研究内容分别为：第二章,为研究ELMs热流对钨偏滤器靶板的侵蚀,把偏滤器靶板简化为一个平板,建立了一维对流传热模型,考虑了熔化、汽化和热辐射效应。利用自主开发的一维移动边界对流传热程序,首先,针对EAST,采用实验中取得的ELMs能流密度,计算了钨靶板的表面温度分布。计算结果显示当前第一类ELMs作用在钨靶板上,在高约束模式运行时间取32s情况下,靶板表面温度从350 K增加到373 K,表明在当前的参数范围内,只要避免其它更严重的瞬时事件如破裂的发生,ELMs本身不会带来严重的威胁。然后,将ELMs的能量增加到接近未来ITER的能量范围,计算了ELMs能流密度峰值、间隙间能流密度、频率取不同值时,钨偏滤器靶板的温度分布和熔化厚度。研究发现,对于不同幅值的ELMs,当其它参数相同时,偏滤器靶板的表面温度(熔化厚度)与ELMs的能流密度峰值、间隙间能流密度以及频率成正比。第三章,建立了二维对流传热的自洽模型,研究钨偏滤器靶板瓦片在类似ITER运行参数下ELMs过程中的侵蚀问题。针对不同形状的钨偏滤器靶板瓦片,考虑瓦片缝隙对等离子体行为、能流密度的影响,将利用二维边缘等离子体动力学程序(2d3v PIC-MCC)计算得到的不同形状瓦片表面的能流密度分布,作为自主开发的二维移动边界对流传热程序的输入参数,计算了ITER中三种不同形状瓦片(直角瓦片、斜边瓦片、圆角瓦片)在发生ELMs过程中的侵蚀程度。研究结果表明,每一种形状瓦片都是在面向入射等离子体一侧棱边区域的表面温度最高,熔化厚度最大,汽化厚度最大：在相同的ELMs能流作用下,圆角瓦片的侵蚀程度最小,而且表面曲率半径越大,侵蚀程度越小。论文中分析了这些结果的原因。第四章,通过将二维热传导方程与流体力学的纳维斯托克斯方程结合,建立了二维流体动力学模型,进一步研究在ELMs强热流轰击下,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等力的作用下流动时,偏滤器靶板的侵蚀和形貌变化。在模型的数值求解中,采用交错网格的方法进行离散,成功解决了液体表面追踪的算法难点,保证了钨偏滤器靶板侵蚀程度计算的准确性。研究结果表明,在ELMs过程中,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等各种力的作用下,会在熔化层两侧的边缘区域形成类似山峰结构的凸起,加重钨偏滤器靶板的侵蚀程度。如果不考虑磁场力的作用,在空间分布为高斯形状能流的作用下熔化层两侧的山峰结构是对称的。如果考虑磁场力的作用,熔化层在磁场力的作用下流动,使得熔化层两侧的山峰结构不再对称,迎着磁场力一侧的山峰高度增加,另一侧的山峰高度降低。
[Abstract]:The plasma wall material selection is a key problem in fusion devices Tokar Mark, but so far has not really suitable materials. Because the tungsten material has high thermal conductivity, high melting point, low sputtering rate, tritium retention rate is low, become the first choice of wall material. But the tungsten materials will melt in high instantaneous heat flux under the action of vaporization, melting layer in various forces (such as surface tension, magnetic force, pressure gradient force etc.) under the action of flow, resulting in material morphology, effect of heat transfer capacity, material induced arc, even liquid tungsten will in the form of droplets splashing out. These effects not only shorten the life of the wall, and the impurities (tungsten atoms, dust particles, droplets) will be a serious threat to operation. Therefore the plasma transient heat flow under the action of vital tungsten material erosion. Simulation Research on the boundary of local mode by using the numerical method in this thesis (edge localized modes, ELMs) erosion on the heat load of tungsten divertor plate. In future fusion devices such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in the presence of ELMs tungsten divertor plate will melt and vaporization. The melting and vaporization process, phase interface changing with time, melting the flow will lead to the liquid surface position changing with time. This paper according to the demand of research, tracking the interface of the model using the finite volume method, ideal to calculate the wall every time and melting rate of tungsten and the position of the interface. This paper introduces the research background of the work in the first chapter the fifth chapter is the conclusion and outlook section describes the main conclusions of this work and other innovations, the contents of every chapter are as follows: second chapter is study on erosion of ELMs heat flow on the tungsten divertor plate, the divertor plate is simplified A flat, one-dimensional convection heat transfer model, considering the melting, vaporization and heat radiation effect. By using the one-dimensional moving convective heat transfer process, the independent development of the first, for EAST, using ELMs to achieve current density, the surface temperature of tungsten target were calculated. The calculation results show that the current first class the role of ELMs in the tungsten target board in high confinement mode running time take the case of 32S, the surface temperature of the target plate was increased from 350 K to 373 K, that in the range of parameters in the current, as long as the other to avoid more severe transient events such as rupture, ELMs itself does not pose a serious threat. Then, ELMs the energy is increased to close to the energy range of ITER in the future, the ELMs peak value of flux density is calculated, the gap between the energy flow density, the frequency of different values, the temperature distribution and the thickness of the melting tungsten divertor plate. The study found that for different amplitude ELMs, when the other parameters are the same, the surface temperature of divertor target plate (melt thickness) and energy flow density of ELMs, the gap between energy density and frequency is proportional to. The third chapter, a self consistent model of two-dimensional convection heat transfer, erosion of tungsten divertor plate tiles in ELMs the process is similar to the ITER operating parameters in different shapes. The tungsten divertor plate tile, consider tile gap on the plasma behavior, influence of energy flow density, using two-dimensional edge plasma dynamics program (2d3v PIC-MCC) calculated by different shapes of tile surface the flux density distributions, as input parameters of two-dimensional moving boundary the convective heat transfer program developed by the three different shapes in the calculation of ITER tiles (rectangular tiles, tile edge, corner tiles) erosion degree in ELMs process. The results show that the shape of each tile The pieces are in the edge plasma facing incident side edge area, the maximum surface temperature, maximum thickness of maximum thickness of melting, vaporization: in the same ELMs can flow under the action of the minimum erosion degree of fillet tile, and the surface of the radius of curvature, the smaller the degree of erosion. The paper analyzes the reasons for these results. The fourth chapter and by combining the Navier Stokes equation of two-dimensional heat conduction equation and fluid mechanics, a two-dimensional hydrodynamic model, further research on ELMs heat under the bombardment of tungsten melting layer on the surface tension, pressure gradient force, magnetic field force under the action of force flow, erosion and topography in the divertor target plate in the numerical model, using the method of staggered grid discretization, successfully solved the difficulty of liquid surface tracking algorithm, which ensures the accurate degree of tungsten divertor plate erosion calculation. Results Show that in the ELMs process, the tungsten melting layer in the surface tension, pressure gradient force, magnetic force and other force, will form a convex structure similar peaks in the edge region of melted layer on both sides of the erosion severity of tungsten divertor target plate. If you do not consider the magnetic force for in space the distribution of Gauss shape can flow under the action of the melting layer on both sides of the mountain structure is symmetric. If considering the magnetic force, the melted layer under magnetic force flow, the structure of the melted layer on both sides of the mountain is no longer symmetric, side facing the magnetic force peak height is increased, the other side of the mountain height decreased.

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;TL631.24

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本文编号：1496097