水冷鎢銅偏濾器臨界熱流數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、托卡馬克裝置是目前最具應(yīng)用前景的受控熱核聚變裝置。偏濾器是托卡馬克聚變裝置中排除雜質(zhì)和輸出反應(yīng)能的關(guān)鍵部件，其熱負載超過5MW/m2，目前大多采用水冷以保證其在高熱負荷下的可靠工作。高熱負荷下的臨界熱流（Critical Heat Flux，CHF）是水冷偏濾器安全工作的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。由于偏濾器臨界熱流試驗預(yù)測難度大、成本昂貴，經(jīng)濟快速的數(shù)值模擬方法成為其設(shè)計優(yōu)化的重要手段。然而，對于偏濾器臨界熱流的數(shù)值模擬方法目前尚不成熟，在預(yù)計準確

2、度上也有待提高。針對此問題，本文進行了以下研究：
　　首先，針對均相流沸騰模型對于臨界熱流計算準確性不足的問題，采用對時間松弛因子的Hertz-Knudsen公式修正，改進其對單邊高熱流下管內(nèi)汽液轉(zhuǎn)化效率和換熱效率的計算精度，來提高模型計算準確性。通過與Ronald等人的試驗數(shù)據(jù)對比，修正前模型計算得到的臨界熱流值與試驗值誤差達到了180％，而修正后的模型計算值與試驗值誤差降低至20%以內(nèi)，且修正后模型計算得到的兩相體積分數(shù)和換熱

3、系數(shù)等分布較為合理。
　　然后，為改進兩流體模型在過冷沸騰計算中對膜態(tài)沸騰階段計算的有效性，采用含汽量分布函數(shù)的方法來描述氣泡流、攪拌流和彌散流等不同階段兩相流動機制的變化，從而提高不同流動機制下兩相界面?zhèn)鬏敽捅诿鎿Q熱的計算準確度。改進前后模型的計算結(jié)果表明，改進前的兩流體沸騰模型無法模擬出熱負荷達到臨界熱流時的壁面溫度突升現(xiàn)象，而修正后的模型有效模擬出了這一現(xiàn)象；通過與Ronald等人的試驗數(shù)據(jù)對比，計算得到的臨界熱流值誤差約為

4、40%。過冷沸騰不同階段內(nèi)的兩相分布、換熱系數(shù)變化規(guī)律等計算結(jié)果也較為合理。
　　最后，為比較以上兩種模型對鎢銅偏濾器臨界熱流值計算的適用性，分別采用改進的均相流和兩流體沸騰模型進行數(shù)值模擬，對比研究相同工況下偏濾器內(nèi)過冷沸騰不同階段的兩相體積分數(shù)分布、流場、壁面換熱等變化規(guī)律，得出如下主要結(jié)論：針對本文的研究對象和研究參數(shù)范圍，在臨界熱流的計算方面，均相流沸騰模型普適性較好，對于不同工況的臨界熱流計算誤差均不超過20%；兩流體沸

5、騰模型對于高壓力工況（Pin=4.2Mpa）臨界熱流計算結(jié)果準確度優(yōu)于均相流模型，誤差小于5%，但對于低壓力工況（Pin=0.2Mpa）計算準確度不及均相流沸騰模型，誤差達到40%；而在兩相體積分數(shù)和壁面換熱系數(shù)分布上兩流體模型計算結(jié)果比均相流模型更合理。兩流體模型由于可以描述相間作用和流動機制的轉(zhuǎn)變，在改進其子模型后，更適用于鎢銅偏濾器臨界熱流的數(shù)值模擬。
　　本文研究結(jié)論可為提高鎢銅偏濾器臨界熱流數(shù)值模擬方法的計算精度提供有益