EAST新型下偏滤器冷却结构 传热性能数值模拟

为实现EAST装置超400s长脉冲高约束模、10MW加热功率下的稳态运行，需对现有的下碳偏滤器进行升级改造，拟采用钨串结极水冷却系统，热通量控制在水冷钨铜第一壁材料允许的稳态的10MW·m^-2。在对下钨偏滤器的冷却结极传热性能进行数值模拟仿真研究的基础上，研究了多种以钨串单元为基础的冷却结极，提出了一种新型下钨偏滤器水冷结极设计，幵建立了满足传热要求的EAST装置新型下钨偏滤器单元结构模型。     

EAST 钨偏滤器外靶板热工水力分析

为提高EAST 偏滤器的抗热载和排热能力,将偏滤器第一壁的材料由原来的石墨改为钨,在结构上,靶板采用了类ITER 的单块结构,支撑和冷却采用一体化的盒式结构。确定了EAST 钨偏滤器的冷却结构后,通过水管的流固耦合传热模型,分析了外靶板在紊流冷却方式下的散热情况。同时计算了在水冷系统失效的情况下,偏滤器外靶板的危险区域在3、5、8、10MW·m^-2 热流密度下的瞬态温度分布情况。结果表明,水流速度在4m·s^-1 时, 水管可以承受峰值功率10MW·m^-2 的热流密度,能够很好地满足EAST 装置运行的排热要求。     

管道连接装配型ITER增强热负荷第一壁的初步设计

中方承制的ITER第一壁采用大量焊接连接结构,冷却通道焊缝多,冷却水泄漏风险大,且存在焊接装配难以更换缺损部件等关键问题。在全尺寸原型件工艺认证阶段,需基于半原型研发基础,对其进行更改设计。设计重点在于手指部件采用前部燕尾槽和中部螺钉连接的固定结构,手指对采用前部管管连接、中部管连接件与中心梁焊接形成内部冷却通道回路。对初步设计模型进行了结构热及弹塑性分析。分析结果显示其温度、位移、强度均在可接受范围内,可以采用这种结构继续进行整个增强热负荷第一壁的详细设计。     

管道连接装配型ITER增强热负荷第一壁的初步设计

中方承制的ITER第一壁采用大量焊接连接结构,冷却通道焊缝多,冷却水泄漏风险大,且存在焊接装配难以更换缺损部件等关键问题。在全尺寸原型件工艺认证阶段,需基于半原型研发基础,对其进行更改设计。设计重点在于手指部件采用前部燕尾槽和中部螺钉连接的固定结构,手指对采用前部管管连接、中部管连接件与中心梁焊接形成内部冷却通道回路。对初步设计模型进行了结构热及弹塑性分析。分析结果显示其温度、位移、强度均在可接受范围内,可以采用这种结构继续进行整个增强热负荷第一壁的详细设计。     

水冷陶瓷增殖包层第一壁电子束焊接的模拟分析

作为中国聚变工程试验堆(CFETR)的候选包层的水冷陶瓷增殖包层(WCCB)的结构材料为低活化铁素体/马氏体钢(LAFM),WCCB采用电子束焊接(EBW)技术实现连接。第一壁(FW)是WCCB的重要组成部分,在FW的EBW过程中,有多种焊接工艺可供选择。通过有限元模拟,比较了两种不同焊接工艺(第一种为每条焊缝的第一次焊接从FW的同一侧开始,第二种为每条焊缝的第一次焊接从前一次焊接完成的一侧开始)下WCCB的等效应力和变形情况。结果表明,第一种焊接工艺下的等效应力为1289MPa,第二种的等效应力为1286MPa。在焊缝表面上,第一种焊接工艺下沿焊缝的和垂直焊缝的变形量大于第二种下对应的变形量,这为FW焊接工艺的确定、工装设计等提供了有利依据。     

基于EAST装置量热系统的 第一壁热负荷实验研究

通过测量EAST装置水冷系统的出入口冷却水的温差和流量,搭建了第一壁热负荷测量系统,实现了第一壁热负荷的分布测量。实验结果表明,在上单零偏滤器位形放电实验中,该系统测量的热负荷约占总注入能量的80%,其中,接近50%的热负荷沉积在上偏滤器区域。高的加热功率会使得第一壁热负荷更快上升。通过冷却水降温曲线拟合计算得出EAST装置上钨偏滤器水冷系统的热衰减时间约为下石墨偏滤器水冷系统的十分之一。     

聚变堆熔盐冷却偏滤器靶板结构设计与分析

为提高偏滤器的抗中子辐照能力,兼顾高热承载能力和聚变堆经济性的需要,提出了基于熔盐冷却(MSC)的偏滤器靶板结构设计。它采用FLiNaK作为冷却剂,钨镧合金为热沉材料,钨为第一壁材料。通过数值计算评估了靶板的热负荷承载能力,并完成了偏滤器冷却剂回路设计,优化了偏滤器各模块之间的流量分配。此MSC偏滤器靶板设计可以有效去除10~15MW•m^-2热负荷,为适应未来聚变堆偏滤器靶板发展的需要提供了一种设计解决方案。     

CFTER包层第一壁热工水力分析

简要描述了CFETR氦冷固态增殖包层的结构设计,介绍了包层第一壁的冷却结构。用ANSYS CFX程序对CFETR包层第一壁进行了热工水力分析。研究了如何获得第一壁的最佳出口温度,并保证第一壁结构材料的热负荷承受能力。讨论了通过改变冷却管道粗糙度和优化冷却管道布置两种方法对第一壁结构进行优化。结果表明,优化的冷却回路既满足了材料的许用温度要求,又满足了氦气的出口温度要求。     

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简要描述了CFETR氦冷固态增殖包层的结构设计,介绍了包层第一壁的冷却结构。用ANSYS CFX程序对 CFETR 包层第一壁进行了热工水力分析。研究了如何获得第一壁的最佳出口温度,并保证第一壁结构材料的热负荷承受能力。讨论了通过改变冷却管道粗糙度和优化冷却管道布置两种方法对第一壁结构进行优化。结果表明,优化的冷却回路既满足了材料的许用温度要求,又满足了氦气的出口温度要求。     

聚变堆熔盐冷却偏滤器靶板结构设计与分析

为提高偏滤器的抗中子辐照能力,兼顾高热承载能力和聚变堆经济性的需要,提出了基于熔盐冷却(MSC)的偏滤器靶板结构设计。它采用FLiNaK作为冷却剂,钨镧合金为热沉材料,钨为第一壁材料。通过数值计算评估了靶板的热负荷承载能力,并完成了偏滤器冷却剂回路设计,优化了偏滤器各模块之间的流量分配。此MSC偏滤器靶板设计可以有效去除10~15MW·m-2热负荷,为适应未来聚变堆偏滤器靶板发展的需要提供了一种设计解决方案。     

小型平板CPL蒸发器耦合计算及优化设计研究

本文建立了小型平板CPL蒸发器毛细多孔芯内汽液两相流动与传热的模型以及金属外壁和工质区的导热模型,并进行耦合求解.分析了金属侧壁效应对蒸发器性能的影响,提出小型平板CPL存在着侧壁效应传热极限.数值结果表明,工质蒸发发生在多孔芯加热表面附近,蒸发器采用单一金属外壁时由于侧壁效应导致系统传热极限低,而上壁采用导热系数大,侧壁及下壁采用导热系数小的新型结构能够明显的提高系统的传热能力,同时使加热表面的温度维持在较低的水平.     

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In order to improve the anti-thermal load and heat dissipation performance of the divertor of EAST, its first wall material is changed to tungsten from graphite. In the structure, outer target adopts the ITER-like monoblock, bracing and cooling structure adopts incorporate cassette. After establishing the cooling structure of EAST tungsten divertor, the flows-solid coupling heat conduction model of water-pipes is used to analyze the heat dissipation situation of outside target in the form of turbulent flow. While the cooling system comes to failure, a series of heat flux value 3MW·m^-2, 5MW·m^-2, 8MW·m^-2, 10MW·m^-2 are applied in the hazardous area to analyze transient conditions and real temperature distribution. The results shows that if the water flows at 4m·s^-1, the cooling pipes can withstand the heat flux with peak power in 10MW·m^-2. It can well meet the needs in heat dissipation of EAST experiment.     

高温高压下碳化钨晶体的结构、力学、电子、光学以及热力学性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论中的广义梯度近似对碳化钨晶体的三种结构(碳化钨相、闪锌矿相以及纤锌矿相)进行了优化,得到能量最低的稳定构型,并在此基础上计算了它的力学、电子、光学和高温高压下的热力学性质.研究表明:在0～300 GPa压力范围内,碳化钨相具有最高的稳定性.同时,高压下碳化钨相的弹性常数满足Born-Huang准则,且0 GPa和300 GPa下的声子色散没有虚频,证明了高压下碳化钨相的静力学稳定性和动力学稳定性.电子性质表明了碳化钨的金属性.光学性质表明碳化钨在高能区很难吸收光.热力学性质的研究表明:体积比V/V_0对压强的变化更敏感;高温时C_V曲线近似一条直线;给定压强下热膨胀系数α在600 K温度以上增长非常缓慢;压强对德拜温度Θ_D的影响较大;在低压下格林艾森系数γ的变化较大.     

流道形状对铜基螺线管线圈冷却效果的影响

采用Fluent和ANSYS Workbench软件对水冷铜基螺线管线圈进行了流体分析及热流耦合分析。得到了水冷铜基螺线管线圈内壁面温度随曲率角和曲面角的变化关系。分析了3种不同流道截面(圆形、椭圆形、三叶形)的螺旋管线圈在同样工况下的出口及交界面的最大温度、平均温度和最小温度,发现流道形状会严重影响螺线管线圈的换热,椭圆截面和三叶形截面的螺旋管线圈相比圆形截面的螺旋管线圈具有更好的冷却效果,如平均壁表面温度均降低了近70℃,管壁上的最高温度也控制在了100℃以内,最大温差也控制在了60℃以内。     

热管管排组合对露点腐蚀温度影响研究

比较了间壁式传热和分离式热管传热对热侧面积相等的情况下在低温烟气中的的传热,并在同样总面积比的情况下,做多种热管管排组合,通过管排组合改变热管换热器局部的温度分布,总结有利于避免露点腐蚀发生的管排组合规律。     

半导体制冷强化传热研究

对半导体制冷片进行了稳态传热分析,对半导体制冷风冷式散热片的底座厚度、翅片长度、翅片厚度、翅片数目、翅片顶端厚度等结构进行ANSYS模拟分析优化,并通过实验对比得出风冷式、水冷式散热的半导体制冷效率与传统压缩机制冷效率的区别;同时,通过改变风冷式散热半导体制冷的风扇功率、散热片结构等分析优化了半导体制冷的散热模式。     

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采用Fluent和ANSYS Workbench软件对水冷铜基螺线管线圈进行了流体分析及热流耦合分析.得到了水冷铜基螺线管线圈内壁面温度随曲率角和曲面角的变化关系.分析了3种不同流道截面(圆形、椭圆形、三叶形)的螺旋管线圈在同样工况下的出口及交界面的最大温度、平均温度和最小温度,发现流道形状会严重影响螺线管线圈的换热,椭圆截面和三叶形截面的螺旋管线圈相比圆形截面的螺旋管线圈具有更好的冷却效果,如平均壁表面温度均降低了近70℃,管壁上的最高温度也控制在了100℃以内,最大温差也控制在了60℃以内.