均勻強磁場下金屬液膜流動不穩定性機理研究

《均勻強磁場下金屬液膜流動不穩定性機理研究》是依託西安交通大學，由陽倦成擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：均勻強磁場下金屬液膜流動不穩定性機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陽倦成
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

在磁場環境下，金屬液膜流動受到電磁力作用所產生的不穩定流動現象使得其無法很好地鋪展於固體壁面，且隨著磁場強度的增強，液膜流動不穩定變得更為複雜。本項目旨在對室溫下液態鎵銦錫合金在均勻強磁場下所形成的液膜流動不穩定特性從實驗和數值模擬方面進行研究。首先採用自行設計的金屬液膜形態測量系統對磁場中流動金屬液膜的瞬時厚度、瞬時表面波形態等進行詳細的測量，以獲得不同流動入口和磁場影響下液膜流動的特徵；隨後通過採用兩相方法，結合電磁力計算所需的高精度相容守恆格式對金屬液膜流動進行數值模擬，以獲取實驗中無法得到的液膜內部速度分布、電勢分布等信息，並通過與實驗結果對比分析，探索磁場下金屬液膜產生不穩定現象的機理；最終通過尋求控制不穩定現象產生的方法，從而實現磁場下金屬液膜在固壁材料上大面積、均勻鋪展，為金屬液膜流動在核聚變托克馬克裝置中作為電漿面對部件的套用提供參考。

結題摘要

液態金屬膜流是磁約束核聚變堆中面對等離子壁面實現一種重要方式之一。然而受到聚變堆中磁場環境的影響，金屬液膜流動將受到電磁力作用而產生各種流動不穩定現象並導致其無法實現保護面對電漿固體壁面的功能，亟需對金屬液膜在磁場中產生的這些現象開展大量的基礎研究。本項目以此為背景系統地開展了液態鎵銦錫膜流在磁場中的流動特性實驗及相關的研究。主要包括：基於常規可視化方法和雷射測量技術發展了對於不透明液態金屬表面波及膜厚的測量方法，並採用該方法對金屬液膜流動在不同潤濕特性底板、不同磁場強度、不同初始流速影響下的流動特性進行了系統的測量；隨後通過採用兩相方法，結合電磁力計算所需的高精度相容守恆格式對金屬液膜流動開展了數值模擬研究；最後對膜流不穩定流動過程中所產的飛濺液滴在磁場環境下撞擊固壁鋪展現象開展了初步的研究。通過以上研究獲得如下結論：1. 雷射測量技術能較好地獲得不透明液態金屬表面波動形態以及對應液膜厚度的瞬態信息；2. 金屬液膜厚度隨著流量的增大而逐漸增加，隨著磁場強度增大呈現先減小後增大的趨勢；3. 展向磁場的作用會使得液膜表面波動變得更為規則化，即使得展向的波動逐漸消失，流向波動變得更為規則且表面波速明顯減小，這一現象得到了數值模擬的進一步驗證；4. 在液滴鋪展方面，水平磁場的作用使得液滴的鋪展產生了各向異性的現象，即平行於磁場方向的鋪展寬度小於垂直於磁場方向的鋪展寬度，且這一現象隨著磁場變得更為明顯。該項目的研究成果發表學術論文5篇，其中在核聚變專業期刊Fusion Engineering and Design 和流體力學頂級期刊Physics of Fluids各一篇，同時在實現液態金屬在固壁均勻鋪展方面獲得發明專利2項。項目的相關研究成果為磁約束核聚變中液態第一壁的實現提供了豐富的基礎實驗數據和技術參考，具有重要的意義。