【摘要】：液態(tài)金屬具有高熱導(dǎo)率、高比熱容等優(yōu)點(diǎn),液態(tài)金屬包層具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、氚增殖與提取容易等優(yōu)勢(shì),因此液態(tài)金屬包層是實(shí)驗(yàn)熱核聚變反應(yīng)堆包層模塊(Test Blanket Module,TBM)的設(shè)計(jì)方案之一。在外加磁場(chǎng)作用下,金屬流體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),因磁流體動(dòng)力學(xué)(Magnetohydrodynamic,MHD)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于普通水力學(xué)壓降的MHD壓降,并使管道內(nèi)的流體重新分配。而核聚變包層處于磁-熱-流-固等多耦合場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境下,金屬流體在復(fù)雜包層管道結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)狀態(tài)將會(huì)更加復(fù)雜。管道幾何形狀、壁面電導(dǎo)率、雷諾數(shù)和哈特曼數(shù)均會(huì)對(duì)管道中的MHD效應(yīng)產(chǎn)生影響。因此研究壁面電導(dǎo)率對(duì)復(fù)雜包層管道結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬流體的流動(dòng)狀態(tài)以及外熱源下管道的傳熱特性,對(duì)TBM的設(shè)計(jì)方案具有重要參考價(jià)值。數(shù)值模擬是磁流體管道流研究中的一個(gè)重要手段。本文采用基于開(kāi)源計(jì)算流體力學(xué)OpenFOAM環(huán)境自主開(kāi)發(fā)的流固耦合低磁雷諾數(shù)磁流體求解器,對(duì)復(fù)雜的包層管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究和分析。首先對(duì)具有不對(duì)稱壁面電導(dǎo)率分布的導(dǎo)電矩形管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)平行層固體壁的壁面電導(dǎo)率呈非對(duì)稱分布時(shí),流向截面平行層里的速度射流也成非對(duì)稱分布,且速度射流的峰值隨壁面電導(dǎo)率的增大而減小,管道中心位置沿流向的無(wú)量綱壓力梯度隨壁面電導(dǎo)率和截面長(zhǎng)寬比的增加而增大。進(jìn)一步對(duì)U型矩形彎管中,液態(tài)金屬流體在均勻磁場(chǎng)作用下的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。U型矩形彎管包括外管壁、隔板、流入通道、流出通道和連接通道五個(gè)部分。研究了外管壁和隔板壁的不同壁面電導(dǎo)率對(duì)液態(tài)金屬流體的速度、感應(yīng)電流、感應(yīng)電勢(shì)和壓降分布特性的影響。當(dāng)外管壁絕緣,隔板弱導(dǎo)電時(shí),在隔板末端的流出通道內(nèi)形成了由強(qiáng)逆壓梯度產(chǎn)生的速度旋渦。隨哈特曼數(shù)的增大,速度漩渦區(qū)域不斷減小,連接通道內(nèi)的壓力波動(dòng)變得更加劇烈并分別向流入流出通道蔓延。當(dāng)外管壁弱導(dǎo)電時(shí),在隔板兩側(cè)的平行層中形成了高速射流,速度分布極不對(duì)稱,管道中的壓降梯度比外管壁絕緣時(shí)高兩個(gè)數(shù)量級(jí),隔板壁的電導(dǎo)率顯著影響管道內(nèi)沿流向的壓降分布。即外管壁和隔板的壁面電導(dǎo)率均對(duì)管道內(nèi)金屬流體流動(dòng)產(chǎn)生影響,而外管壁的導(dǎo)電性對(duì)管道內(nèi)的壓降分布起決定性作用。以具有不同壁面電導(dǎo)率分布的U型矩形彎管的流場(chǎng)為基礎(chǔ),在不同外管壁側(cè)加熱源時(shí)管道的傳熱效率也不同。當(dāng)熱源位于流入通道的外管壁側(cè)時(shí),固體壁全導(dǎo)電的包層管道結(jié)構(gòu)傳熱效率最好。而無(wú)論在與磁場(chǎng)方向相同或相反方向的外管壁側(cè)加熱源時(shí),外管壁絕緣,隔板壁導(dǎo)電的管道結(jié)構(gòu)傳熱效率最高。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了不同固體壁的壁面電導(dǎo)率、哈特曼數(shù)、雷諾數(shù)及管道外加熱源位置條件下,均勻磁場(chǎng)作用時(shí)液態(tài)金屬在矩形管和U型管中的速度、感應(yīng)電流、感應(yīng)電勢(shì)、壓力分布和傳熱特性。數(shù)值模擬的結(jié)果為未來(lái)包層的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供一定的參考。
【圖文】：

場(chǎng)方向的平行層壁面導(dǎo)電。在外加磁場(chǎng)作用下，金屬流體在導(dǎo)電方管中流動(dòng)時(shí)，受磁流逡逑體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響，使管道剖面上流體速度分布與普通流體層流狀態(tài)剖面上的拋物線逡逑速度曲線完全不同，如圖１．２邋（ｂ）所示。速度曲線的中心位置受洛倫茲力的作用被壓平，逡逑壁面邊界層變薄，速度曲線類(lèi)似于湍流狀態(tài)下管道截面上的速度分布，此速度分布與逡逑Ｈａｒｔｍａｎｎｆ２２，２３］平板流實(shí)驗(yàn)研究推導(dǎo)的解析解一致。逡逑圖１．２邋（ａ）是管道流向截面上的感應(yīng)電流流線分布。當(dāng)固體壁絕緣時(shí)，感應(yīng)電流通逡逑過(guò)平行層和哈特曼層形成閉合回路；當(dāng)固體壁導(dǎo)電時(shí)，感應(yīng)電流通過(guò)平行層、哈特曼層逡逑和導(dǎo)電固體壁形成閉合回路。而固體壁導(dǎo)電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度明顯大于固體壁絕緣逡逑時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度。當(dāng)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，核心區(qū)受到的抑制作用增強(qiáng)，在平行層內(nèi)逡逑會(huì)出現(xiàn)速度射流，截面速度呈“Ｍ－型”速度分布�！埃停汀彼俣确植际且�?yàn)槠叫袑觾?nèi)的逡逑感應(yīng)電流與磁場(chǎng)方向平行不產(chǎn)生洛倫茲力，而管道中心的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)方向垂直，產(chǎn)逡逑生與流動(dòng)相反的洛倫茲力

邐杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文邐逡逑的ＨＣＬＬ邋（氦冷鋰鉛液態(tài)金屬方案Ｈｅｌｉｕｍ邋Ｃｏｏｌｅｄ邋Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｌｅａｄ）包層Ｕ型彎管結(jié)構(gòu)中逡逑l#的運(yùn)輸特性進(jìn)行研究。當(dāng)固體壁絕緣時(shí)，由于流體和固體壁溫度之間的反向熱梯度，逡逑通道中出現(xiàn)速度漩渦。而固體壁完全導(dǎo)電時(shí)，在高雷諾數(shù)下，渦流區(qū)主要出現(xiàn)在管道彎逡逑曲部位。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)固定某一壁面的溫度，且在流固耦合模擬中，存在垂直于壁面的逡逑高溫度梯度，渦流會(huì)受到阻尼。在熱核聚變包層的復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)中，不同管道內(nèi)流體的逡逑流動(dòng)狀態(tài)也不同，固體壁的導(dǎo)電性、截面的縱橫比、雷諾數(shù)和哈特曼數(shù)等都對(duì)管道內(nèi)的逡逑ＭＨＤ效應(yīng)產(chǎn)生影，同時(shí)管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)也對(duì)傳熱傳質(zhì)特性產(chǎn)生影響，理論分析逡逑和數(shù)值模擬研宄對(duì)實(shí)際工程中包層管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。逡逑
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TL631.24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2657429