TBM子模块冷却剂流量分析及结构改进设计

采用计算流体软件FLUENT对国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块(TBM)的子模块冷却剂流量分配进行三维数值模拟。结果表明,原有子模块冷却管道内氦气流量分配具有严重的不均匀性,导致冷却剂传热效率降低。为此,在对冷却剂流量进行三维数值模拟的基础上对相应的结构做了合理的改进设计,保证了实验包层模块及ITER的安全运行。     

HCCB-DEMO氦冷固态包层热工水力计算及分析

根据这几年HCCB-DEMO包层技术的发展,对原氦冷固态氚增殖包层进行相应设计改进。利用三维有限元软件CFX对该改进设计进行了热工水力学计算及分析。分析模型包括：第一壁,增殖单元,筋板以及三者集成模型。结果表明：各子部件在单独分析的情况下,材料最高温度低于设计要求限值;冷却剂进出口温度为300/500°C,满足设计需求。同时对比分析了集成计算及单独计算的结果,得出第一壁与铍球床之间的相互热作用较大,铍球床材料最大温度会高于设计限值。针对经集成计算后发现的问题,未来将对氦冷固态包层的设计进行进一步的优化。     

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根据这几年HCCB-DEMO包层技术的发展,对原氦冷固态氚增殖包层进行相应设计改进.利用三维有限元软件CFX对该改进设计进行了热工水力学计算及分析.分析模型包括:第一壁,增殖单元,筋板以及三者集成模型.结果表明:各子部件在单独分析的情况下,材料最高温度低于设计要求限值;冷却剂进出口温度为300/500℃,满足设计需求.同时对比分析了集成计算及单独计算的结果,得出第一壁与铍球床之间的相互热作用较大,铍球床材料最大温度会高于设计限值.针对经集成计算后发现的问题,未来将对氦冷固态包层的设计进行进一步的优化.     

中国氦冷固态增殖剂试验包层模块第一壁的改进设计与分析

根据中国氦冷固态增殖剂试验包层模块(CH HCCB TBM)设计方案,对TBM 第一壁进行改进设计,在ITER 相应运行工况条件下,进行了热工水力及应力计算与分析。分析结果表明,改进后的第一壁要求、最大应力值和在最高温度、冷却剂压降及应力分布方面,表现均优于原设计方案第一壁。     

水冷包层试验段设计与流动特性研究

针对水冷包层子模块并行通道的流量分配对热量导出的影响,以水冷包层子模块第一壁为研究对象,对其并行通道试验段的模化设计与流量分配特性展开了研究。采用模化方法对第一壁的结构进行设计,得出试验段相关参数。采用计算流体力学(CFD)的方法对模化设计的试验段进行数值模拟,并分析其流动状态。将结果与原型结构下的流动特性参数进行比较,验证了采用模化方法得到的试验段参数可以有效反映水冷包层子模块第一壁的流动特点,为试验装置的搭建提供参考。     

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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针对水冷包层子模块并行通道的流量分配对热量导出的影响,以水冷包层子模块第一壁为研究对象,对其并行通道试验段的模化设计与流量分配特性展开了研究。采用模化方法对第一壁的结构进行设计,得出试验段相关参数。采用计算流体力学(CFD)的方法对模化设计的试验段进行数值模拟,并分析其流动状态。将结果与原型结构下的流动特性参数进行比较,验证了采用模化方法得到的试验段参数可以有效反映水冷包层子模块第一壁的流动特点,为试验装置的搭建提供参考。     

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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。     

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基于ITER装置窗口C,完成了中国氦冷固态增殖剂试验包层模块的设计改进,给出了模块主要性能参数和设计参数。改进后的TBM包层模块外围尺寸为环向484mm、纵向1660mm和极向675mm。根据该模块设计的结构特点,对研制用材料CLF-1钢真空扩散连接和真空电子束焊等关键工艺进行了研究,初步探索了第一壁等关键部件的研制工艺流程,并最终成功试制了第一壁和子模块冷却板模拟件。     

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在ITER试验包层模块HC-SB TBM结构设计和热工计算分析的基础上,对包层模块中的重要部件第一壁做了优化分析。利用有限元分析软件ANSYS的可编程命令流模式,对HC-SB TBM第一壁前壁进行了温度和应力的数值模拟,在满足结构材料的许用温度和应力的前提下,给出了第一壁前壁的最佳设计方案。     

托卡马克工程试验混合堆概念设计

本文描述了托卡马克工程试验混合堆(TETB-Ⅲ)的概念设计。堆芯等离子体、各类磁体、包层中子学与热工水力、磁体屏蔽等设计协调一致地体现在堆结构设计中。结构设计考虑了各部件维修的需要和冷却剂进出管道的具体安排。燃料增殖只安排在等离子体环的外侧包层,放宽对内侧包层的中子学性能要求,以及实现较低的锂冷却剂磁流体动力学压降等是设计的一些特点。最后,对设计进行了安全性分析和有关放射性的计算。     

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Cryostat thermal shield (CTS) of China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) is designed with 304LN stainless steel being selected as the CTS material. The CTS is divided into 16 sectors with each sector encompassing 20 sub-sectors, the corresponding cooling tubes are arranged on each sub-sector of the CTS panel sector, and liquid helium is selected as the coolant. The thermal analysis of the designed CTS structure is performed based on FLUENT, and the temperature distribution of the CTS panel and the pressure difference between the inlet and outlet of the cooling pipeline are obtained. The results show that the temperature of the CTS panel and the pressure difference between the inlet and outlet of the cooling tubes are within a reasonable range, which verifies the rationality of the layout of the cooling pipeline, and it provides reference for optimal design of the CTS.     

CFETR杜瓦冷屏初步设计与热分析

选择304LN 不锈钢作为冷屏的制作材料,将杜瓦冷屏分为16 个扇区,每个扇区由20 个子部分组成,在每一个子部分上布置相应的冷却管。选择液氦作为冷却剂。为检验杜瓦冷屏结构是否符合设计要求,分析了杜瓦冷屏的传热方式以及冷却原理,利用FLUENT 软件对设计的冷屏结构进行了热分析,得到了杜瓦冷屏面板的温度分布情况以及冷却管道进出口压力差。结果表明,杜瓦冷屏面板温度和冷却管道进出口压力差在合理范围内,验证了冷却管道布局的合理性,为后续杜瓦冷屏的设计提供了重要参考。     

超临界水堆燃料组件选型论证研究

开展SCWR燃料组件性能分析及设计论证,分析研究SCWR组件设计目标,对比分析各类组件设计理念的物理热工性能与结构可实现性,论证选取综合性能优化的SCWR燃料组件方案。组件选型论证研究表明,大水棒方形组件方案采用结构设计较为简单的单水棒、组合式方形燃料组件,能够为燃料元件提供充分、均匀的慢化,而且慢化剂和冷却剂分流简单,具备良好的物理热工性能与结构可实现性,满足SCWR组件设计目标。     

高增益包层冷却系统设计及初步热工水力分析北大核心CSCD

高增益包层氚增殖率能够达到1.5以上,能量放大倍数约为5,包层燃料区平均功率达50MW/m3,针对包层存在高功率密度区的这一特点,设计了采用迂回流动方案的水冷系统,主要由内嵌冷却管和汇总分流腔组成。建立了包括第一壁和燃料区的包层三维热工水力计算模型,利用CFD程序FLUENT对冷却系统进行模拟分析,研究了稳态工况条件下包层关键区域的整体热工水力特性。结果表明,该水冷系统流量分配合理,燃料区冷却剂压降为102kPa,出口温度为594K,符合设计预期。包层温度分布结果表明各区域最高温度均满足限值要求,冷却系统能够有效载出包层内裂变反应释放的热量。     

喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性仿真分析及实验研究

为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2kg/s,入口温度为20℃,在1200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.     

翼前缘层板对流冷却结构的防热效果分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 设计一种层板对流冷却结构对翼前缘进行热防护. 提出一种壁面冷却效率参数η, 并运用流固耦合的分析方法, 研究了对流冷却结构在特定条件下的冷却效果, 其中采用水冷时头部冷却效率η 值最低为0.25. 研究表明, 对流结构冷却效果与内部冷却槽道深宽比γ 有重要关系, η值随γ 的增大而增大至一个稳定值, 此时冷却效果达到饱和, 若此时γ 继续增加则可能出现不利于冷却的现象. 冷却效果η随着前缘头部半径的减小而减弱. 研究还表明, 当层板对流冷却结构和材料固定时, η 值随冷却剂流量增加而增大, 并逐渐趋近至一个稳定值, 而冷却槽道进出口压差急剧增大. 因此需要综合考虑提高流量给供给系统带来的压力, 选取最佳流量值以达到相对较好的冷却效果. 对于材料而言, 内部冷却通道和外部耐热层都应选择导热系数较高的材料, 能够强化结构传热增强冷却效果.     

基于相变冷却的大功率二极管激光器技术

 设计了一种基于相变冷却方式工作的大功率二极管激光器,该激光器的散热器是基于节流式喷射微槽道相变冷却的原理,使冷却液在微槽中的气化率达到了70%,大幅度提高了冷却效果,减小了冷却液流量,在同样制冷功率条件下,冷却液流量仅为水冷方式的1/10。利用相变冷却器进行了背冷式半导体激光器叠阵封装工艺的研究,采用复合热沉与AuSn硬焊料结合的新型封装工艺,完成了准连续3 kW叠阵的封装。实验测试表明,单元叠阵的输出功率达到3.01 kW,占空比10%,封装间距为1.3 mm,光谱宽度小于3.5 nm。最大功率输出时所需R134a冷却液的流量仅为110 mL/min。     

Experimental and numerical study of the effect of conjugate heat transfer on film cooling

Combined convection heat transfer and thermal conduction for film cooling of a flat plate with 45° ribs on one wall was investigated experimentally and numerically. The flat plate surface temperature was measured using thermochromic liquid crystals. The results show that the film cooling is the main mechanism for the local cooling with a very low thermal conductivity while the convection heat transfer of the coolant in the coolant channel is the dominant heat transfer mechanism for the high thermal conductivity plate, with both film cooling and convection heat transfer by the coolant being important with medium thermal conductivity walls.     

润滑油对基于制冷循环的喷雾冷却系统性能的影响

针对高功率固体激光器的散热需求,设计了一种基于制冷循环的喷雾冷却系统,并对其换热性能进行研究。由于制冷系统的压缩机需要润滑,冷却液中不可避免地会混有润滑油。润滑油会对冷却液的粘度、表面张力产生影响,并可能产生油膜,从而对冷却液的换热过程产生强化或抑制。因此,通过实验研究,分析了润滑油对喷雾冷却换热性能的影响。实验结果表明,冷却液中存在润滑油,会增大冷却液流经喷嘴过程中的阻力,减小流量,但根据本系统的应用情况,可以忽略;在低热流密度时,含有一定量的润滑油更有利于热源表面温度的均匀分布,高热流密度时,2%(质量分数)的含油量对温度分布不均的影响可以忽略;润滑油的存在可以提高临界热流密度,使得系统的散热能力得到提高,更有利于其在高功率固体激光器散热领域的应用。