液态包层流动通道插件三维MHD效应数值模拟

用直接数值方法对高效液态锂铅包层内的金属流体三维MHD效应进行分析。用投影法对包含洛仑兹力源项的不可压Navier．Stokes方程求解,用相容守恒格式计算电磁力。研究了不同材料的流动通道插件（FCI）对金属磁流体流速、MHD压降和电流流线分布的影响。主要分析了以下三种情况：无FCI插件的通道内的流动状况;加入绝缘材料...     

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给出了通道插件管道MHD效应的初步实验结果,结果表明：中心区流速分布与数值预测的差别较大,且不同位置的管道截面流速分布不同,在压力平衡孔之间呈周期性变化;宏观的中心区与边缘区流量分配、MHD压降与简化理论预测结果相接近。这些数据将给FCI管道数值分析模型的完善和液态包层设计提供参考。     

FCI结构及其电导率对MHD效应影响实验研究

实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明：带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。     

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实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明：带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。     

带通道插件管道流磁流体动力学效应的数值模拟

采用二维完全发展流模型对聚变反应堆包层带通道插件和压力平衡槽隙的矩形磁流体管流的MHD效应进行数值模拟,分析速度分布,MHD压降随哈德曼数以及通道插件的电导率的变化规律.与无插件磁流体管流相比,带绝缘通道插件管流MHD压降显著降低,MHD压降随哈德曼数的增加而减小,通道插件材料的电导率增加MHD压降系数减小.压力平衡槽隙处的回流与通道插件的电导率有关.在宏观上计算结果与实验结果和简化理论结果一致.     

带FCI液态包层的MHD效应及热变形模拟

本文结合CFD与FEM方法,对国际热核聚变实验堆(ITER)的双冷锂铅(DCLL)包层进行了"磁-热-流-固"多物理耦合场的三维数值模拟.基于电势方法,采用PISO算法和相容守恒格式求解了包含Lorentz力的不可压Navier-Stokes方程。应用有限元方法分析了DCLL包层关键部件流道插件(FCI)在热场和磁场耦合作用下的热应力.利用多物理场的顺序耦合算法获得了在强磁场作用下,包层内金属流体的压力、速度和温度分布,研究了各种厚度和导电率的FCI对于包层内MHD效应和传热性能的影响。     

高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应研究

液态金属磁流体动力学(MHD)效应是聚变堆液态包层需要解决的关键问题之一。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应,获得了强磁场下绝缘圆管内压降变化和流速分布的规律。研究结果表明,绝缘圆管内液态金属MHD压降随外加磁场强度的增加而线性增大,随管道内平均流速的增加也呈线性增长的关系,且压降实验结果与数值模拟及理论结果吻合较好;流速分布的特点为哈特曼层内流速变化剧烈,速度梯度大。基于压降的实验数据分析可得,强磁场环境下绝缘圆管中层流湍流的转换分界点约为Re/Ha=45。     

涂层裂纹的MHD压降研究

目前的研究已表明,自冷包层中的MHD压降问题可以在与液态金属流体接触的通道壁上涂电绝缘陶瓷涂层或自修复涂层而得到很好的解决。但因热应力等因素引起陶瓷出现裂纹或剥落,在陶瓷涂层出现裂纹或剥落后的MHD压降需要开展相应的实验工作。考虑到低成本和方便的涂层工艺,本研究中的绝缘涂层使用了在回路的运行温度下与流体介质相容的聚氨基甲酸脂,用旋转加热法在外径为64mm、内径为57mm的导电实验段的内壁均匀地涂上2.65mm厚的聚氨基甲酯酯电绝缘涂层,涂后的流道内径为51．7mm,如图1所示,D1－D5为设置的模拟涂层裂纹的铜电极,电要直径为10mm,长为100mm。P1和P2为差压传感器接口,间距为500mm。LEVI探针可测量该方向上的MHD流速分布。P1和P2,电极D1－D5以及LEVI接口均位于电磁铁提供的均匀磁场区域,其方向与液态金属流速和外加磁场垂直。采用特殊的涂层工艺,使每个接口连接处的液态金属不会通过这些电极、差压接口以及LEVI接口与导电的实验段外壁短路,确保全绝缘和各种模拟裂纹的MHD压降实验的可靠性和准确性。     

绝缘壁通道上裂纹电极的MHD电位研究

本研究是在开展模拟涂层裂纹或未裂纹时的MHD压降实验研究时间时测量的裂纹电极间的MHD电位变化情况。实验段见文献（1）中的图1所示结构。用ΔV14、ΔV24分别表示余裂纹电极D1和D2与参考电极D4间实验测得的电位差,此外只选出具有一定代表性的电极间的电位差随雷诺数Re的关系曲线,即Re-Δ14和Re-ΔV24的实验曲线,其结果见图1－3所示。     

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分析了磁流体力学效应对液态金属自由表面射流稳定性的影响。从射流的感应电势、电流、速度等方面,解释射流在磁场中稳定的原因。数值计算结果验证了理论分析。     

非均匀磁场中自由表面液态射流的MHD稳定性分析

基于在液态金属实验回路上的实验,对非均匀磁场中液态金属射流的MHD稳定性进行了研究,建立了一个描述射流性能的简化模型。由此简化模型所得的结果与从实验获得的结果相比较表明,它们相当吻合,并发现在此液态金属射流中存在一个固有稳定性区域。     

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基于感应电磁场方程发展了低磁雷诺数条件下充分发展液态金属管道流的数值模拟程序。为了校正程序,分别计算了两种工况：液态金属在全绝缘管道和部分绝缘管道中的流动,数值结果与Hunt和Shercliff的解析解吻合的很好,表明该程序具有很高的精度。最后利用发展的程序对液态金属钠钾合金在管壁材料为304不锈钢的全导电管道中的流动进行了数值模拟,并对流速分布和MHD压降结果与实验结果进行了比较,结果表明数值与实验结果吻合较好。     

聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究

为研究聚变堆氚增殖包层中液态金属湍流磁流体动力学(MHD)效应,开发了一种新的准二维单方程 MHD 湍流模型,并进行了相关数值模拟程序的编制及验证。对于矩形管道中的准二维 MHD 湍流流动,三维流 动主要发生在哈德曼层中,中心的主流区呈现出二维流动。为了反映这种特殊的流动特征,新湍流模型在标准 k-ε 模型的基础之上去掉了传统的耗散项,代之以电磁耗散项来模拟湍流 MHD 效应。同时,采用 Bradshaw 假设来对 湍流涡粘系数进行模化。为验证该湍流模型是否合理,编制了相关数值模拟程序,并利用直接数值模拟(DNS)结 果对该程序进行了校正,数值模拟结果与 DNS 结果吻合较好。计算结果表明,该湍流模型可应用于聚变堆液态 包层 MHD 湍流流动的数值模拟。     

液态金属自由表面膜流MHD效应的数值模拟

对液态金属自由表面膜流在强磁场下的磁流体力学效应进行了数值模拟研究,获得了液态金属自由表面的形状、截面流速分布及截面上的电动势分布,从而能对膜流的一些磁流体动力学行为作出解释。数值计算结果与理论分析和实验结果符合较好。由实验和数值模拟结果可以得出,液态金属膜流通过强磁场时,磁场会阻碍膜流的运动。     

几种液体金属自由表面的MHD不稳定性实验研究

介绍了在核工业西南物理研究院的液态金属实验回路(LMEL)上获得的几种可供液态偏滤器-限制器系统选用的液体自由表面的磁流体动力学(MHD)效应不稳定性的实验结果。实验发现：自由表面射流在穿越梯度横磁场时射程变短、截面变扁平,但MHD效应稳定,调节射流与磁场的夹角可以控制射流的流动特性;自由表面膜流MHD效应存在三种现象,即层流、溪状流和湍流。层流是由多束射流打到固体表面产生的(简称“射-膜流”),从MHD效应角度考虑,“射-膜流”将是四种可选液态偏滤器-限制器系统的液体自由表面形式中最佳的选择。同时,探讨了从物理的角度来理解四种自由表面形式的MHD效应的现象。     

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通过数值模拟及实验研究了润湿性及磁场对液态金属膜流流动状态的影响.首先,通过数值模拟研究了润湿性对膜流流动状态的影响.结果表明,当润湿性不好时,液态金属膜流容易发展为溪状流而不能完全覆盖底壁,入口膜厚较薄时更易发展为溪状流;在入口膜厚及其它情况相同时,密度越小越易发展为溪状流.其次,研究了磁场对膜流流动状态的影响.结果表明,槽道与流体润湿性不好时,有磁场情况下液态金属膜流覆盖底壁的区域较无磁场时增加,强磁场对膜流的湍流有抑制作用.最后,液态金属膜流实验结果表明,润湿性不好时,镓铟锡合金膜流容易收缩发展为溪状流,这与数值模拟的结果是一致的.上述研究结果对磁约束聚变堆液态第一壁的设计具有指导意义.