液態(tài)包層復(fù)雜幾何構(gòu)件下的MHD流動、傳熱和氚輸運研究.pdf

1、聚變堆包層因其適應(yīng)等離子體形狀而結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，對于液態(tài)金屬包層普遍存在幾種共性的幾何構(gòu)件，如突擴突縮管道、彎管、分配收集箱等，磁流體在這些復(fù)雜形狀管道內(nèi)流動會出現(xiàn)顯著不同特征的三維磁流體效應(yīng)，是包層內(nèi)最為嚴重的磁流體現(xiàn)象，同時影響到包層傳熱效果和氚的輸運，也是液態(tài)金屬包層共有的熱工水力學問題。為支持聚變液態(tài)包層的研究與發(fā)展，本文對聚變液態(tài)鋰鉛包層中存在的復(fù)雜幾何構(gòu)件開展了磁流體動力學液態(tài)金屬流動、傳熱和氚輸運的數(shù)值模擬分析，從程序開

2、發(fā)、程序性能分析和加速方法、復(fù)雜幾何管道的MHD流動傳熱特性分析、氚輸運關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析四個方面展開分析，具體工作總結(jié)如下:
　　(1)聚變環(huán)境下液態(tài)鋰鉛的流動過程是非常復(fù)雜的，受到諸如磁流體動力學(MHD)流的多種物理環(huán)境的耦合影響。圍繞聚變液態(tài)鋰鉛增殖包層內(nèi)存在著MHD流動、浮升力及氚輸運耦合問題，基于OpenFOAM平臺根據(jù)不同的邊界耦合方法發(fā)展了多網(wǎng)格單矩陣和雙邊界耦合兩種求解技術(shù)。開發(fā)了MHD流動-熱-電勢-氚輸運多物

3、理場耦合程序，并分別開展Shercliff和Hunt算例理論驗證、KIT突擴和MHD自然對流實驗驗證以及氚輸運實驗等相關(guān)驗證。驗證結(jié)果表明，所開發(fā)的程序適用于聚變環(huán)境下流體高Ha數(shù)和高Gr數(shù)特點，計算結(jié)果具有很好的準確性和可靠性，可用于液態(tài)包層流動、傳熱和氚輸運分析。
　　(2)基于所開發(fā)的耦合求解程序開展并行性能分析，開發(fā)GPU異構(gòu)和全GPU加速求解器。針對CPU并行，分析并行加速性能影響因素，發(fā)現(xiàn)求解算法為求解快慢的主要因素，

4、并行分塊對并行效率影響明顯。CPU和GPU求解器基于相同算例分別分析其在普通流體、MHD流體、不同求解算法和網(wǎng)格尺寸上的計算效率。結(jié)果顯示，GPU適合于MHD問題求解，在大網(wǎng)格問題上加速明顯。
　　(3)開展液態(tài)鋰鉛包層中存在的復(fù)雜的幾何構(gòu)件內(nèi)MHD流動和傳熱分析，針對于現(xiàn)有的液態(tài)鋰鉛包層結(jié)構(gòu)進行了描述，歸類出共同存在的復(fù)雜幾何構(gòu)件的特征。對聚變液態(tài)包層復(fù)雜幾何流道，如彎管、分配聯(lián)箱和帶有氦氣流道的管道壁面的MHD流動展開了數(shù)值模

5、擬分析，基于管道MHD流動，展開傳熱耦合特性對比分析。結(jié)果顯示，氦氣流道使內(nèi)部MHD流出現(xiàn)波動，壁面耦合效應(yīng)使得壁面附近射流偏小或反向（傳熱）等。
　　(4)氚輸運數(shù)值模擬首先針對分配聯(lián)箱管道進行氚濃度分析，隨后針對管道流開展氚輸運關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析，包括流動速度、磁場大小、壁面導(dǎo)電性能、傳熱效應(yīng)和氚擴散系數(shù)等因素對氚濃度和氚在壁面上的滲透率的影響。結(jié)果顯示流動速度分布，特別是靠近壁面的速度分布對氚在壁面的滲透率的影響顯著，MHD

6、效應(yīng)可減少壁面氚滲透率，隨著磁場強度增加，氚在壁面上的滲透率近似于指數(shù)下降，氚的擴散系數(shù)在一定范圍內(nèi)影響的效果較為顯著，且氚溶解度不確定性影響顯著等。
　　本文工作完成了聚變包層復(fù)雜幾何構(gòu)件下的MHD流動、傳熱和氚輸運研究，在同一個平臺開發(fā)了MHD流動和傳熱兩種邊界耦合處理分析程序、氚輸運分析程序和雙擴散MHD流動分析程序，初步建立了液態(tài)鋰鉛增殖包層熱工水力分析和氚輸運分析研究工具，掌握了復(fù)雜幾何流道對MHD流動和傳熱的影響特點，