圆柱形汇聚激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定的SPH模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.     

聚变堆第一壁连续W/Cu 梯度材料的热工性能优化

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了 8MW•m⁻²稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW•m⁻²热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu 连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

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针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了8MW.m?2稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW.m?2热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

高热流条件下翅片凹腔内超汽化换热的微距PLIF观测

在已建成的兆瓦每平方米量级高热流密度超汽化实验平台上,采用平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)和微距高速摄影技术,观察了过冷水在三角形翅片和矩形翅片凹腔内的超汽化换热流动现象,包括汽泡的生成、吸附、脱落、汇聚及破碎等行为特征,测量了翅片凹腔中心对称切面的温度场,分析了不同凹腔构型对强化过冷沸腾换热性能的影响机制,发现逆流的三角形翅片凹腔构型比矩形翅片的构型具有更好的过冷沸腾强化换热能力。上述研究结果可为设计更先进的超汽化换热翅片提供参考。     

微观尺度下金属/气体界面RM不稳定性 自相似现象的分子动力学模拟

极端冲击加载条件下的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定性在惯性约束核聚变领域有重要的学术价值和工程意义。宏观动力学方法受限于极端条件下的模型和参数准确性而难以直接应用,微观分子动力学方法则受限于计算量而难以直接模拟宏观尺度现象。为了解RM不稳定性微观与宏观规律之间的联系,采用基于嵌入原子多体势(EAM)的分子动力学方法模拟铜-氦微观尺度界面在极端冲击加载条件下(活塞冲击加载速度6～15 km/s)的RM不稳定性现象,对比文献提供的近似条件下宏观模拟结果发现,演化过程在唯象上完全相似。进一步比较了不同尺度(7.3～145.0 nm)、不同冲击加载速度(11.7～20.6 km/s)、不同初始界面扰动(扰动振幅与波长之比0.20～0.05)条件下振幅发展规律,发现在相同冲击动力条件和边界条件下,RM不稳定性的振幅增长规律在计算尺度范围内完全自相似,主要参数的变化特征符合理论预测。尽管理论模型因简化而存在一定偏差,但是微观模拟获得的振幅增长规律与宏观现象有相似的变化特征。     

人工黏性增强三维移动粒子半隐算法稳定性

通过综合比较移动粒子半隐方法(moving-particle semi-implicitmethod, MPS)各种稳定性计算方法, 考虑了多种可能导致计算不稳定的因素, 并首次提出加入人工黏性来抑制非物理压力振荡, 得到了较为稳定的三维MPS算法.采用各种稳定性方案对比模拟了三维立方流体旋转状态下的变形及三维静水压问题, 并进一步与商业软件的流体体积函数方法(volumeof fluid, VOF)模型计算结果对比, 验证了其正确性.结果表明:对三维情形, 单纯应用已有的稳定性算法仍难以满足MPS计算稳定性的要求, 而进一步辅以该文提出的人工黏性方法则可以在准确性及稳定性方面均取得较好的效果, 且计算结果显示, 通过该文提出的开关模式增加人工黏性并不影响压强泊松方程的求解精度, 因而不会对流场的求解产生负面作用.     

边缘局域模热流冲击下偏滤器铜夹层疲劳行为的数值模拟

采用有限元方法对偏滤器单块铜夹层在高热通量(HHF)和边缘局域模(ELMs)叠加载荷条件下的热力响应和热疲劳行为展开了细致的数值模拟，结果表明：(1) ELMs 瞬态热冲击引起的铜夹层损伤将与HHF 载荷引起的损伤相耦合；(2) 在HHF 和ELMs 叠加载荷作用下，夹层的疲劳寿命不断下降，下降的幅度随着ELMs 峰值和时均热流密度的增加而非线性增大；(3) 夹层疲劳寿命的缩短对ELMs 峰值热流密度和频率更为敏感。     

圆柱形汇聚激波诱导 Richtmyer-Meshkov不稳定的 SPH 模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particlehydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.      

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介绍了过冷沸腾换热的数值模拟方法以及在EAST第一壁组件冷却系统中的应用.采用双流体模型,系统分析了过冷沸腾壁面换热过程中存在的各种换热模式,给出了Fluent软件封闭关系式中所需的质量、动量以及能量的交换项的形式.采用用户自定义函数(UDF)模拟壁面沸腾气化过程,对提出的模拟方法与已发表的实验数据对比进行了校核,得出合理的结论.最后分析了过冷沸腾两相流在EAST第一壁中的工程应用,模拟了热沉冷却结构的沸腾换热现象.为EAST PFCs的冷却结构优化提供了依据.     

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对由埋管引起的面对等离子体第一壁热沉冷却结构冷却效果的下降进行了实验测量与数值模拟。在相同加热源条件下,比较了热沉内光孔、埋管打压胀管及高温真空埋管钎焊三种工艺实验件的换热效率,并与数值模拟的结果进行比较,确定了合理的计算模型和参数。对高场测的热沉原型件,比较了埋管打压胀管和高温真空钎焊连接换热效率,为EAST热沉冷却结构优化提供了依据。