《聚變堆環境下磁-熱-流-固耦合場的非定常流動傳熱研究》是依託中國科學院大學，由張年梅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：聚變堆環境下磁-熱-流-固耦合場的非定常流動傳熱研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張年梅
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
雙冷鋰鉛包層是核聚變裝置中實現高效能量轉換的關鍵模組，流道外掛程式是包層模組的核心組件之一。在強磁場環境下，外掛程式與含有內熱源的液態金屬流體相互作用，構成一個非定常動態耦合系統，決定著系統的安全性和能量轉化率。目前，國內外相關研究尚不充分。本項目擬採用理論分析和數值模擬相結合的方法，首先對強磁場作用下液態金屬的流動傳熱過程進行模擬，重點分析各種外掛程式構形對傳熱性能的影響；其次，對多物理場作用下外掛程式結構的動力學行為進行分析研究，確立結構失穩顫振的臨界條件，對結構安全性進行評估；最後，建立外掛程式和液態金屬的動態耦合系統，考慮流動的非定常特性和結構的瞬態回響規律，精確模擬包層內液態金屬的流動傳熱過程，揭示外掛程式與液態金屬之間的耦合作用機制，定性分析結構形變與流動失穩、傳熱效率的關係。目標是深入理解聚變環境下磁-熱-流-固多物理場的耦合作用機制，為聚變堆包層模組的最佳化設計提供科學依據。
結題摘要
雙冷鋰鉛包層是核聚變裝置中實現高效能量轉換的關鍵模組，流道外掛程式是包層模組的核心組件之一。目前，國內外對包層模組內磁-熱-流-固多物理場耦合效應的相關研究尚不充分，本項目採用理論分析和數值模擬相結合的方法開展了以下研究。 套用有限體積法和有限元方法，採用順序耦合算法發展了模擬磁-熱-流-固多物理耦合場的計算方法。基於此方法，分析了流道外掛程式的材料特性和幾何特性對金屬流體MHD流動性能和傳熱性能的作用，發現了磁場與流道外掛程式導電性對流體流動、包層傳熱效率和外掛程式結構力學性能的非線性、非單調影響規律。 結合理論分析和數值計算方法，分析了外部磁場對Poiseuille-Rayleigh-Bènard流的穩定性、側壁非對稱方管MHD流動的線性穩定性和金屬液體膜流穩定性的作用，給出了影響流動穩定性的主要因素，建立了穩定流動的閾值條件。 給出了磁-熱-流-固耦合場中圓柱自激振動的解析解，為多物理耦合場的研究建立了基準解。 基於採用相容守恆格式的有限體積法和有限元方法發展了研究磁-熱-流-固多物理場耦合動力學行為的算法，建立了可高效模擬耦合場瞬態、非定常行為的計算平台MPF，該平台可精確求解金屬流體二維、三維的定常和非定常問題和固體結構的動力學回響。經過解析解和多個Benchmark解的驗證，證明了MPF軟體的可靠性、精確性和高效性。套用MPF計算平台，研究了繞流板布置方案對直通道內金屬流體速度渦量和溫度分布作用，給出了Nu數隨時間的演化規律。 研究了強磁場、大梯度熱源作用下雙冷液態包層內金屬流體混合對流的流動傳熱特性，發現在浮力效應作用下使用可導電流道外掛程式將引起逆流的產生，而磁場對逆流有抑制作用。 基於滑移格線技術，我們提出了更高效、精確的統一滑移邊界法，用於處理高Hartmann數下複雜表面MHD流動和動邊界問題，為今後強磁場作用下金屬流體的非定常流動傳熱性能研究建立了基礎。
