本文關鍵詞： 數值模擬 邊界局域模熱流 鎢偏濾器靶板 熔化 流動　出處：《大連理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：等離子體面壁材料的選擇是聚變裝置托卡馬克的關鍵問題,但到目前為止,還沒有真正合適的材料。鎢材料因為具有熱導率高、熔點高、濺射率低、氚滯留率低等優(yōu)點,成為首選的面壁材料。但是鎢材料在高瞬時熱流的作用下會熔化、汽化,熔化層在各種力(如表面張力、磁場力、壓強梯度力等)作用下的流動,導致材料形貌變化,影響材料的傳熱能力,誘發(fā)電弧,甚至液體鎢會以液滴的形式飛濺出去。這些作用不但縮短器壁的壽命,而且產生的鎢雜質(原子、塵埃顆粒、液滴)將嚴重威脅等離子體運行。因此對瞬時熱流作用下鎢材料侵蝕的研究至關重要。本論文利用數值方法模擬研究了邊界局域模(edge localized modes, ELMs)熱負荷對鎢偏濾器靶板的侵蝕。在未來聚變裝置例如國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)中強ELMs作用下,鎢偏濾器靶板會熔化,甚至汽化。在熔化和汽化過程中,相變界面隨時間不斷變化,熔化層流動也會導致液體表面的位置隨時間不斷變化。本論文根據研究問題的需要,對所建立的模型采用有限體積法追蹤界面的位置,較理想地計算了鎢壁各個時刻的熔化速度及界面位置。論文在第一章緒論中介紹了工作的研究背景,第五章結論展望部分闡述了本工作的主要結論和創(chuàng)新點,其它各章研究內容分別為：第二章,為研究ELMs熱流對鎢偏濾器靶板的侵蝕,把偏濾器靶板簡化為一個平板,建立了一維對流傳熱模型,考慮了熔化、汽化和熱輻射效應。利用自主開發(fā)的一維移動邊界對流傳熱程序,首先,針對EAST,采用實驗中取得的ELMs能流密度,計算了鎢靶板的表面溫度分布。計算結果顯示當前第一類ELMs作用在鎢靶板上,在高約束模式運行時間取32s情況下,靶板表面溫度從350 K增加到373 K,表明在當前的參數范圍內,只要避免其它更嚴重的瞬時事件如破裂的發(fā)生,ELMs本身不會帶來嚴重的威脅。然后,將ELMs的能量增加到接近未來ITER的能量范圍,計算了ELMs能流密度峰值、間隙間能流密度、頻率取不同值時,鎢偏濾器靶板的溫度分布和熔化厚度。研究發(fā)現(xiàn),對于不同幅值的ELMs,當其它參數相同時,偏濾器靶板的表面溫度(熔化厚度)與ELMs的能流密度峰值、間隙間能流密度以及頻率成正比。第三章,建立了二維對流傳熱的自洽模型,研究鎢偏濾器靶板瓦片在類似ITER運行參數下ELMs過程中的侵蝕問題。針對不同形狀的鎢偏濾器靶板瓦片,考慮瓦片縫隙對等離子體行為、能流密度的影響,將利用二維邊緣等離子體動力學程序(2d3v PIC-MCC)計算得到的不同形狀瓦片表面的能流密度分布,作為自主開發(fā)的二維移動邊界對流傳熱程序的輸入參數,計算了ITER中三種不同形狀瓦片(直角瓦片、斜邊瓦片、圓角瓦片)在發(fā)生ELMs過程中的侵蝕程度。研究結果表明,每一種形狀瓦片都是在面向入射等離子體一側棱邊區(qū)域的表面溫度最高,熔化厚度最大,汽化厚度最大：在相同的ELMs能流作用下,圓角瓦片的侵蝕程度最小,而且表面曲率半徑越大,侵蝕程度越小。論文中分析了這些結果的原因。第四章,通過將二維熱傳導方程與流體力學的納維斯托克斯方程結合,建立了二維流體動力學模型,進一步研究在ELMs強熱流轟擊下,鎢熔化層在表面張力、壓強梯度力、磁場力等力的作用下流動時,偏濾器靶板的侵蝕和形貌變化。在模型的數值求解中,采用交錯網格的方法進行離散,成功解決了液體表面追蹤的算法難點,保證了鎢偏濾器靶板侵蝕程度計算的準確性。研究結果表明,在ELMs過程中,鎢熔化層在表面張力、壓強梯度力、磁場力等各種力的作用下,會在熔化層兩側的邊緣區(qū)域形成類似山峰結構的凸起,加重鎢偏濾器靶板的侵蝕程度。如果不考慮磁場力的作用,在空間分布為高斯形狀能流的作用下熔化層兩側的山峰結構是對稱的。如果考慮磁場力的作用,熔化層在磁場力的作用下流動,使得熔化層兩側的山峰結構不再對稱,迎著磁場力一側的山峰高度增加,另一側的山峰高度降低。
[Abstract]:The plasma wall material selection is a key problem in fusion devices Tokar Mark, but so far has not really suitable materials. Because the tungsten material has high thermal conductivity, high melting point, low sputtering rate, tritium retention rate is low, become the first choice of wall material. But the tungsten materials will melt in high instantaneous heat flux under the action of vaporization, melting layer in various forces (such as surface tension, magnetic force, pressure gradient force etc.) under the action of flow, resulting in material morphology, effect of heat transfer capacity, material induced arc, even liquid tungsten will in the form of droplets splashing out. These effects not only shorten the life of the wall, and the impurities (tungsten atoms, dust particles, droplets) will be a serious threat to operation. Therefore the plasma transient heat flow under the action of vital tungsten material erosion. Simulation Research on the boundary of local mode by using the numerical method in this thesis (edge localized modes, ELMs) erosion on the heat load of tungsten divertor plate. In future fusion devices such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in the presence of ELMs tungsten divertor plate will melt and vaporization. The melting and vaporization process, phase interface changing with time, melting the flow will lead to the liquid surface position changing with time. This paper according to the demand of research, tracking the interface of the model using the finite volume method, ideal to calculate the wall every time and melting rate of tungsten and the position of the interface. This paper introduces the research background of the work in the first chapter the fifth chapter is the conclusion and outlook section describes the main conclusions of this work and other innovations, the contents of every chapter are as follows: second chapter is study on erosion of ELMs heat flow on the tungsten divertor plate, the divertor plate is simplified A flat, one-dimensional convection heat transfer model, considering the melting, vaporization and heat radiation effect. By using the one-dimensional moving convective heat transfer process, the independent development of the first, for EAST, using ELMs to achieve current density, the surface temperature of tungsten target were calculated. The calculation results show that the current first class the role of ELMs in the tungsten target board in high confinement mode running time take the case of 32S, the surface temperature of the target plate was increased from 350 K to 373 K, that in the range of parameters in the current, as long as the other to avoid more severe transient events such as rupture, ELMs itself does not pose a serious threat. Then, ELMs the energy is increased to close to the energy range of ITER in the future, the ELMs peak value of flux density is calculated, the gap between the energy flow density, the frequency of different values, the temperature distribution and the thickness of the melting tungsten divertor plate. The study found that for different amplitude ELMs, when the other parameters are the same, the surface temperature of divertor target plate (melt thickness) and energy flow density of ELMs, the gap between energy density and frequency is proportional to. The third chapter, a self consistent model of two-dimensional convection heat transfer, erosion of tungsten divertor plate tiles in ELMs the process is similar to the ITER operating parameters in different shapes. The tungsten divertor plate tile, consider tile gap on the plasma behavior, influence of energy flow density, using two-dimensional edge plasma dynamics program (2d3v PIC-MCC) calculated by different shapes of tile surface the flux density distributions, as input parameters of two-dimensional moving boundary the convective heat transfer program developed by the three different shapes in the calculation of ITER tiles (rectangular tiles, tile edge, corner tiles) erosion degree in ELMs process. The results show that the shape of each tile The pieces are in the edge plasma facing incident side edge area, the maximum surface temperature, maximum thickness of maximum thickness of melting, vaporization: in the same ELMs can flow under the action of the minimum erosion degree of fillet tile, and the surface of the radius of curvature, the smaller the degree of erosion. The paper analyzes the reasons for these results. The fourth chapter and by combining the Navier Stokes equation of two-dimensional heat conduction equation and fluid mechanics, a two-dimensional hydrodynamic model, further research on ELMs heat under the bombardment of tungsten melting layer on the surface tension, pressure gradient force, magnetic field force under the action of force flow, erosion and topography in the divertor target plate in the numerical model, using the method of staggered grid discretization, successfully solved the difficulty of liquid surface tracking algorithm, which ensures the accurate degree of tungsten divertor plate erosion calculation. Results Show that in the ELMs process, the tungsten melting layer in the surface tension, pressure gradient force, magnetic force and other force, will form a convex structure similar peaks in the edge region of melted layer on both sides of the erosion severity of tungsten divertor target plate. If you do not consider the magnetic force for in space the distribution of Gauss shape can flow under the action of the melting layer on both sides of the mountain structure is symmetric. If considering the magnetic force, the melted layer under magnetic force flow, the structure of the melted layer on both sides of the mountain is no longer symmetric, side facing the magnetic force peak height is increased, the other side of the mountain height decreased.

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O53;TL631.24

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本文編號：1496097