液態第一壁曲面膜流的建立及其MHD不穩定性機制研究

《液態第一壁曲面膜流的建立及其MHD不穩定性機制研究》是依託核工業西南物理研究院，由張秀傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液態第一壁曲面膜流的建立及其MHD不穩定性機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張秀傑
• 依託單位：核工業西南物理研究院

項目摘要

液態金屬自由表面膜流用作液態面對電漿部件可極大提高其熱負荷能力，目前液態金屬膜流作為液態面對電漿部件的可行性研究已成為聚變界的一個前沿性研究課題，但對於磁約束聚變堆膜流存在磁流體動力學（MHD）不穩定性問題。本項目從實驗上研究曲率變化較大的曲面上液態金屬膜流在非均勻橫向強磁場中的運動狀態，探索控制曲面膜流MHD不穩定性的方法。首先利用金屬網的輔助作用在曲面上建立完整的膜流系統；然後通過調節膜流的入口形式及流速、金屬網孔的大小及其距曲面底壁的距離等方法來控制金屬網表面膜流的MHD不穩定性，獲得曲面上穩定且完整的膜流形式；最後通過實驗數據分析結合相關理論闡述曲面上金屬網主動引導膜流MHD不穩定性的物理機制，弄清這種機制將有助於促進這方面理論的發展和推進聚變堆液態第一壁技術的發展。

結題摘要

液態金屬自由表面膜流用於聚變堆面對電漿部件可極大提高其熱負荷能力。目前液態金屬膜流用於液態面對電漿部件的可行性研究已成為聚變界的一個前沿性研究課題，但對於磁約束聚變堆膜流存在磁流體動力學（MHD）不穩定性問題。本課題從實驗及理論兩方面研究了平面及曲面膜流的MHD效應；分別給出了控制平面及曲面膜流MHD不穩定性的方法，並通過實驗驗證了其有效性。理論研究方面建立了平面及曲面膜流MHD流動的一維及二維數學物理模型，分別開發了相應的一維及二維數值模擬程式，並利用Fluent對膜流MHD流動進行了三維數值模擬研究。利用一維數值程式研究了入口流速、底壁寬度、入口膜厚、壁導電率對膜流MHD流動狀態的影響，結果表明絕緣槽道中膜流MHD流動較穩定，但是對導電性較好的槽道中膜流易發生MHD不穩定性，可通過最佳化入口流速、底壁寬度及入口膜厚等參數使其MHD流動處於穩定狀態，來控制膜流的MHD不穩定性。但是強磁場的存在使得導電槽道中膜流的換熱能力大大降低。利用二維數值模擬程式給出了全發展膜流截面內的流速分布，結果表明強磁場對其流速分布會產生顯著影響，從而極大影響其傳熱能力。對於膜厚較厚的膜流，不論絕緣或導電槽道內膜流均會在自由表面處產生射流，導電槽道內射流遠大於絕緣槽道。對於膜厚較小的膜流，膜流在自由表面處的射流消失。另外如果改變磁場的方向也會對流速分布產生極大改變。三維數值模擬的研究結果表明，潤濕性對膜流的形態演化影響很大。當液態金屬與槽道壁潤濕性不好時，膜流容易發展為溪狀流而不能完全覆蓋底壁，均勻橫向強磁場會使得這種效應減弱，覆蓋底壁的面積增加。 實驗研究了平面及曲面底壁上膜流在橫向梯度強磁場中的運動狀態。結果表明不論對平面或曲面膜流，潤濕性對其流動狀態影響極大，由於潤濕性不好，膜流易發展為溪狀流。利用金屬網的輔助和調節作用，平面膜流不能得到完全覆蓋金屬網表面的流動狀態，但是對於曲面膜流可以利用金屬網輔助得到完全覆蓋底壁且流動狀態較穩定的曲面膜流。實驗還首次發現了膜流的兩種MHD流態轉換，即磁場較弱時由於潤濕性不好平面膜流收縮為一條‘線’狀的流動，當磁場達到1.8T以上時，‘線’狀流動分散為平面膜流。上述研究結果為聚變堆液態第一壁及偏濾器的實現提供了理論基礎及設計依據。