液態(tài)包層復雜幾何構件下的MHD流動、傳熱和氚輸運研究.pdf

1、聚變堆包層因其適應等離子體形狀而結構設計相對復雜，對于液態(tài)金屬包層普遍存在幾種共性的幾何構件，如突擴突縮管道、彎管、分配收集箱等，磁流體在這些復雜形狀管道內流動會出現顯著不同特征的三維磁流體效應，是包層內最為嚴重的磁流體現象，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雜幾何構件開展了磁流體動力學液態(tài)金屬流動、傳熱和氚輸運的數值模擬分析，從程序開

2、發(fā)、程序性能分析和加速方法、復雜幾何管道的MHD流動傳熱特性分析、氚輸運關鍵參數敏感性分析四個方面展開分析，具體工作總結如下:
　　(1)聚變環(huán)境下液態(tài)鋰鉛的流動過程是非常復雜的，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)鋰鉛增殖包層內存在著MHD流動、浮升力及氚輸運耦合問題，基于OpenFOAM平臺根據不同的邊界耦合方法發(fā)展了多網格單矩陣和雙邊界耦合兩種求解技術。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驗證。驗證結果表明，所開發(fā)的程序適用于聚變環(huán)境下流體高Ha數和高Gr數特點，計算結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、不同求解算法和網格尺寸上的計算效率。結果顯示，GPU適合于MHD問題求解，在大網格問題上加速明顯。
　　(3)開展液態(tài)鋰鉛包層中存在的復雜的幾何構件內MHD流動和傳熱分析，針對于現有的液態(tài)鋰鉛包層結構進行了描述，歸類出共同存在的復雜幾何構件的特征。對聚變液態(tài)包層復雜幾何流道，如彎管、分配聯箱和帶有氦氣流道的管道壁面的MHD流動展開了數值模

5、擬分析，基于管道MHD流動，展開傳熱耦合特性對比分析。結果顯示，氦氣流道使內部MHD流出現波動，壁面耦合效應使得壁面附近射流偏小或反向（傳熱）等。
　　(4)氚輸運數值模擬首先針對分配聯箱管道進行氚濃度分析，隨后針對管道流開展氚輸運關鍵參數敏感性分析，包括流動速度、磁場大小、壁面導電性能、傳熱效應和氚擴散系數等因素對氚濃度和氚在壁面上的滲透率的影響。結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下降，氚的擴散系數在一定范圍內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雜幾何構件下的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，掌握了復雜幾何流道對MHD流動和傳熱的影響特點，