偏濾器水冷鎢銅模塊傳熱與熱應(yīng)力問題研究.pdf

1、受控核聚變能是人類夢寐以求的理想能源。托卡馬克是目前最有希望成功的磁約束受控核聚變裝置，偏濾器是托卡馬克裝置中用于排灰和輸出反應(yīng)能的核心部件。偏濾器水冷W/Cu模塊單側(cè)承受的穩(wěn)態(tài)熱流密度高達(dá)數(shù)MW/m2、瞬態(tài)甚至可至百M(fèi)W/m2。在此情況下，水冷W/Cu模塊會因局部溫度過高、冷卻水膜態(tài)沸騰傳熱惡化以及多材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力過大等原因被破壞。因此，水冷W/Cu模塊換熱效率、臨界熱流、熱應(yīng)力準(zhǔn)確的預(yù)測方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對其有效的工程設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。以此

2、為背景，本文的研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下：
　　首先，針對單側(cè)高熱流密度條件下偏濾器水冷W/Cu模塊冷卻通道內(nèi)局部的水物性差異問題和汽液轉(zhuǎn)換效率計(jì)算精度問題，采用分段線性擬合函數(shù)對水物性參數(shù)進(jìn)行了修正，采用文獻(xiàn)中Hertz-Knudsen公式修正了Lee方程中的時間松弛因子，建立了基于歐拉均相流動模型的偏濾器水冷W/Cu模塊過冷流動沸騰換熱修正計(jì)算方法。以偏濾器水冷W/Cu模塊為研究對象，對流動和幾何參數(shù)變化下過冷流動沸騰換熱特性進(jìn)行

3、了數(shù)值研究。結(jié)果表明：單側(cè)高熱流密度的熱環(huán)境使得水冷模塊冷卻通道內(nèi)存在換熱階段不同的區(qū)域，上部過冷沸騰換熱，下部單相對流換熱，這是偏濾器水冷W/Cu模塊過冷流動沸騰換熱區(qū)別于其他換熱設(shè)備的主要特點(diǎn)。冷卻通道內(nèi)不同區(qū)域的換熱階段隨著流動參數(shù)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)化。流速的降低使得冷卻壁面整體換熱變差；過冷度較低時冷卻壁面頂部傳熱受阻，但同時增強(qiáng)了冷卻壁面中部核態(tài)沸騰以及底部單相換熱的換熱強(qiáng)度；單相壓降和兩相壓降隨流動參數(shù)的變化規(guī)律相反，兩者變化量

4、的相對大小決定了總壓降的變化規(guī)律；總壓降隨流速或過冷度的增加而增加，隨熱流密度的增加而先減小后增大；寬度的增加會提高水冷模塊的溫度水平并增強(qiáng)冷卻通道內(nèi)沸騰換熱強(qiáng)度；鎢層最小厚度的增加會提高加熱表面溫度水平，并使得熱流更加集中于冷卻壁面的頂部附近。
　　其次，數(shù)值預(yù)測了偏濾器水冷W/Cu模塊的臨界熱流，對影響水冷W/Cu模塊臨界熱流的因素和規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：臨界熱流發(fā)生時，冷卻通道后端頂部形成的汽膜層阻礙了冷卻壁面與液相之間

5、的對流換熱，汽膜層內(nèi)的汽相由頂部內(nèi)兩側(cè)壁面附近形成的汽泡進(jìn)行補(bǔ)充。流速和過冷度的增加、水冷模塊寬度和鎢層最小厚度的降低均會增加臨界熱流發(fā)生時加熱表面熱流密度（ICHF）。峰值系數(shù)是表征偏濾器水冷W/Cu模塊熱負(fù)荷移除能力利用程度的重要參數(shù)，本文假定冷卻壁面對流換熱系數(shù)是壁溫的函數(shù)，對固體區(qū)域的導(dǎo)熱進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而獲得峰值系數(shù)。研究了幾何和流動參數(shù)對峰值系數(shù)的影響及規(guī)律。結(jié)果表明，模塊寬度、鎢層最小厚度、雷諾數(shù)和雅各布數(shù)的增加均會使得峰

6、值系數(shù)增加，擬合出了適用于光滑冷卻通道的偏濾器水冷W/Cu模塊峰值系數(shù)預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。
　　然后，對偏濾器水冷模塊過冷流動沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析，研究了加熱表面熱流密度、流速等參數(shù)對水冷模塊溫度分布、冷卻壁面平均對流換熱系數(shù)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷了臨界熱流。結(jié)果表明：核態(tài)沸騰階段對換熱的強(qiáng)化作用使得固體域沿流向的溫升變緩。隨著熱流密度的增加，單相換熱階段平均對流換熱系數(shù)變化較小，而在核態(tài)沸騰階段則顯著上升。平均對

7、流換熱系數(shù)隨流速的增加而增加。流速1m/s條件下實(shí)驗(yàn)得到的ICHF為130kW/m2。
　　最后，基于熱彈塑性理論并采用經(jīng)典冪函數(shù)描述梯度層內(nèi)材料分布規(guī)律，建立了熱等靜壓技術(shù)制備的偏濾器水冷模塊W/Cu功能梯度材料熱應(yīng)力計(jì)算模型，分析了傳統(tǒng)等值熱邊界條件對工作熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明：與不等值熱邊界條件得到的結(jié)果相比，傳統(tǒng)等值熱邊界條件下得到的最大等效應(yīng)力數(shù)值偏小9.1％~15.2%。在此基礎(chǔ)上，研究了成分分布指數(shù)p、梯度層

8、厚度Δ等梯度層參數(shù)以及焊接溫度、焊接壓力等工藝參數(shù)對偏濾器水冷模塊W/Cu功能梯度材料殘余熱應(yīng)力、工作熱應(yīng)力的影響及規(guī)律。結(jié)果表明：在梯度層參數(shù)方面，0.1≤p≤0.2、Δ≥1mm的梯度層具有較好的熱應(yīng)力緩和效果，與p趨于無窮而梯度層退化為CuCrZr材料的情況相比，最大等效殘余應(yīng)力和最大等效工作應(yīng)力的降幅分別超過53.8%和43.8%；在工藝參數(shù)方面，隨著焊接溫度的增加，殘余熱應(yīng)力增加而工作熱應(yīng)力降低，隨著焊接壓力的增加，殘余熱應(yīng)力降