iter屏蔽包层屏蔽块热工水力分析_张秀杰

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1、第30卷第3期核聚变与等离子体物理Vol.30,No.32010年9月NuclearFusionandPlasmaPhysicsSep.2010文章编号：0254-6086(2010)03-0267-05ITER屏蔽包层屏蔽块热工水力分析张秀杰，谌继明，康伟山，袁涛，吴继红(核工业西南物理研究院，成都610041)摘要：通过ANSYSCFX对ITER屏蔽块进行了热工水力分析，对同一计算模型给出了两套不同的网格，分析了网格对计算精度的影响，结果表明两套网格都有较好的计算精度。通过数值模拟分析了壁面粗糙度对流动及传热的影响，结果表明壁面粗糙度是

2、影响传热的一个非常重要的因素。关键词：ITER；屏蔽包层；网格；传热；壁面粗糙度+中图分类号：TL627文献标识码：A1引言影响，同时给出壁面粗糙度对流动及传热的影响。屏蔽包层作为国际热核聚变实验堆(ITER)的关键部件之一，其主要作用是作为直接面对等离子2计算模型及网格体的部件，承载聚变反应过程中的高热及中子辐照屏蔽块内部冷却管道非常多且形状复杂，如图[1]，因此屏蔽包层技术是ITER的关键技术之一。1所示。图中右部分为二分之一模型的冷却管道。屏蔽包层包括第一壁和屏蔽块两个部分，第一壁直为了增加冷却效率，冷却剂在环形管道中流动，同接面对等

3、离子体，屏蔽块在第一壁的后面，其主要时冷却管道又是由许多的管网并联和串联而成，因作用是带走聚变反应过程中的核热及屏蔽中子辐此流体的流动非常复杂。通常对于计算流体力学照。因此在第一壁和屏蔽块内部需要很多的冷却管(CFD)中的有限体积法而言，标准的六面体网格可道以便带走热量，使第一壁和屏蔽块材料不要产生以保证计算的守恒性和准确性，而四面体网格由于[2]过高的温度和热应力，达到安全运行的目的。其形状不规则，划分网格时很难控制其形状，同样屏蔽包层的基本设计于2001年已经基本完成，的计算模型需要非常大数量的网格才能保证计算但是由于设计的制造难度较大

4、，为了降低制造难精度，因此六面体网格是流体计算中首选的网格。[2~4]度，对其设计作了较大的改进，2009年ITERIO但是对于非常复杂的流动，其冷却管道多且形状复又提出一种新的设计方案，以降低制造难度和费杂，在很难得到全六面体网格计算区域时，可以采用。同时俄罗斯作为屏蔽包层的参与方之一也提出用足够多数量的四面体或者四面体六面体的混合[5]了自己的设计方案。本文利用通用计算流体动力网格进行计算。学计算(CFD)软件对俄罗斯提出的屏蔽块设计模型本文分别采用两套网格进行计算，分析不同网作热工水力分析，验证其设计的可行性和安全性。格对计算精度的影

5、响，最后给出结论。由图1可以屏蔽块热工水力分析的难点在于其计算结构模型看出二分之一模型中的冷却管道为左右对称且并非常复杂，涉及到复杂的管路结构，而对于流体分联的。由于对称性，只要分析四分之一冷却管道中析，需要高质量的网格以提高收敛性和保证计算精的流动即可。而在四分之一冷却管道中，由于其冷度。本文分别采用两套高质量网格对同一模型作流却管道也是对称但为串联的管网，因此选取八分之固共轭换热计算，分析不同类型网格对计算精度的一屏蔽块进行流固共轭换热计算，网格划分包括流收稿日期：2009−01−12；修订日期：2010−04−27作者简介：张秀杰(1

6、979−)，男，山东临沂市人，硕士，助理研究员，研究方向为液态金属磁流体动力学效应及屏蔽包层热工水力分析。268核聚变与等离子体物理第30卷体和固体区域，对流体区域分别采用两套不同的网格，以便更好的计算边界层处流体的流动。对于八格，而对于固体区域只采用四面体进行网格划分。分之一的冷却管道，划分全六面体网格其单元数量为119万，而划分的四面体网格其单元数量为832万，由以上比较可以看出采用四面体网格的网格数量要比六面体网格大得多，固体域为全四面体网格，其单元数量为635万。3计算结果与讨论ITER屏蔽包层在热工水力方面的设计要求为：(1)每个

7、包层模块的总压降最好不大于0.5MPa，其中包括第一壁和屏蔽块的压降。(2)冷却管道内冷却剂流速分布均匀，不要有流动的滞流区，避免因为冷却不均匀造成模块热应力过大，对包层造成损坏。(3)冷却能力足够强，以便带走更多的热量，使得固体温度在安全范围之内。为了验证上述模型设计的安全性和合理性。本文利用通用CFD软件ANSYSCFX对其进行热工水力分析，给出流体的压降、流速分布及对流换热系数及固体区域的温度场分布等结果，判断其设计是否满足要求。图1屏蔽块模型及其二分之一模型中的冷却管道3.1计算设置求解采用的方法如下，采用κξ-湍流模型，能由于冷却

8、管道多而且形状复杂，如果划分全六量模型为ThermalEnergy，壁面为无滑移非光滑壁面体网格是很困难的工作。本文的网格在ICEM面，计算中壁面粗糙度设置为20µm。为了获得较