磁场作用下液态包层中的流动传热和插件安全分析.pdf

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1、第46卷第2期化工技术与开发Vol.46No.22017年2月Technology&DevelopmentofChemicalIndustryFeb.2017化学工程磁场作用下液态包层中的动传热和插件安全分析112朱琪，吕惠萍，孟旭（1.菏泽学院化学化工系，山东菏泽274015；2.菏泽职业学院新能源系，山东菏泽274015）摘要：国际热核聚变实验堆（ITER）的双冷锂铅（DCLL）包层涉及“磁-热--固”多物理耦合场问题。道插件（FCI）作为DCLL包层的关键部件，具有隔绝热量传递和降低磁体压降的作用。本文基于电势方法，采用PIS

2、O算法和相容守恒格式求解了包含Lorentz力的不可压Navier-Stokes方程；应用有限元方法计算了FCI在场、热场和磁场耦合作用下的热应力和变形。采用顺序耦合法，分析了磁-热-固耦合场中速度、温度、压力的分布形式，研究了道插件结构内的热应力和热变形，通过MHD压降系数和热效率系数揭示了FCI结构对于包层内MHD效应和传热性能的影响规律。关键词：核聚变；FCI；多物理场耦合；MHD效应；热应力中图分类号：TK123文献标识码：A文章编号：1671-9905(2017)02-0039-06国际热核聚变实验堆（ITER）是当今科技界

3、为本文采用适于多物理场的顺序耦合算法，对解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计“锂铅体-道插件-钢壁-冷却氦气”构成的[1]划。聚变堆中，包层是实现聚变能应用的关键能“-固-热-磁”耦合动力系统进行了三维数值量转换部件，双冷液态锂铅（DCLL）包层则以其运模拟，采用有限体积法进行体动和传热的计算，行压力低、高功率和高效率成为国内外学者主要关采用有限元方法分析固体结构的变形和应力。研究[2]注的研究方案之一。包层内的锂铅金属体在中，首先模拟出不同FCI厚度情况下，包层内金属动过程中受到外加磁场的影响而产生磁体力学体的压力

4、、速度和温度分布，之后分析了包层结构特（MHD）效应，这一效应对包层内部金属体的速度征对FCI结构热应力分布的影响，采用压降系数和分布、压力分布以及包层内的整体温度场都有显著热效率研究了FCI结构对传热性能的作用。影响。作为双冷锂铅包层中的关键部件，由碳化硅1控制方程和算法材料制成的道插件具有良好绝热性能和绝缘性能，可以隔绝热量传递和降低磁体压降，大大提高1.1MHD控制方程[3-4]能量转化效率。道插件FCI的结构接影响在低磁场雷诺数下，诱导磁场相对于外加磁场包层内金属体的动特征，而且强磁场对金属为小量，可忽略，黏性不可压

5、MHD动的控制方程体产生的Lorentz力，也改变了体的动特性。同可以表示如下：时，体的动特性还强烈影响着包层内-固耦∂uρµ(+⋅∇uu)=−∇+∇⋅p()∇uJB+×（1）合场中的温度分布。这诸多方面的因素，使得固体∂t∇⋅=u0（2）结构的力学响应——热变形和热应力同时发生了重J=σϕ()−∇+×uB（3）大的改变。综合而言，在耦合物理场中，多因素牵制∇⋅=J0（4）和相互作用，最终影响了包层的传热性能，以致影响方程（1）、（2）分别表示动量守恒方程和质量守着包层的能量转换效率。目前，众多学者致力于研恒方程，其中ρ是金属

6、体的密度，μ表示动力黏究一定结构中的MHD效应，关于FCI结构对传热性系数。u和p分别为速度矢量和压力。J和B分性能和MHD效应的影响还鲜见报道。因此，深入别表示诱导电和磁场强度，J×B表示Lorentz力。研究FCI结构对包层内的温度场和场的作用，对式（3）、（4）分别表示欧姆定律和电守恒方程，其双冷锂铅包层的设计和安全运行具有重要的意义。收稿日期：2016-12-2640化工技术与开发第46卷中σ表示电导率，φ表示诱导电势。层结构由内到外依次是：主区（bulkflow）、FCI插考虑到本文主要研究高温金属体的动和传件、间隙

7、体区域（间隙区，gapflow）、铁壁（First热特性，故高温体应满足的能量方程为：Wall）。其中间隙区又分为Hartmann间隙区（与2∂TJ磁场垂部分，Hartmanngap）、侧间隙区（平行磁场ρCp+⋅∇uT=∇⋅(KT∇)++Q（5）∂tσ部分，sidegap）。为探究不同FCI厚度对场特性其中Cp和K分别表示体的比热容和热传以及结构安全的影响，本文采用的计算模型沿Z方2导系数，T和Q分别表示温度与热源，而J/σ表示向长度为2m，包层最外侧尺寸沿X方向尺寸2a=Joule耗散。0.224m，沿Y方向尺寸

8、2b=0.324m。计算中，体[5]本文采用非结构化网格，应用PISO方法求解-1的入口速度为0.06m·s，温度733K。FCI及铁壁[6-7]不可压Navier-Stoke