聚变堆环境下磁-热-流-固耦合场的非定常流动传热研究

Liquid metal blanket of Double Coolant Lead-Lithium (DCLL) is the key module for high efficient energy transfer in nuclear fusion reactor. One of the most important components of DCLL is flow channel insert (FCI). The main objective of the project is to better understand the mechanism of coupling interaction of FCI structure and liquid metal fluid flows & heat transfer under a strong magnetic field and a large heat source, which will play a great role in research and development of fusion blanket. This will be achieved through a coordinated theoretical analysis and numerical simulation. Focus will be placed on (1) building the dynamically coupling system of FCI and liquid metal fluid flows & heat transfer by considering unsteady flow and transient response of FCI; (2) understanding the effects of different type of FCI on heat transfer of liquid metal; (3) understanding the dynamics behaviors of FCI under coupled multi-physics field, setting up the critical conditions for instability of FCI and evaluating the safety of FCI; (4) understanding the coupling mechanism of interaction of FCI and liquid metal fluid flows & heat transfer.

双冷锂铅包层是核聚变装置中实现高效能量转换的关键模块，流道插件是包层模块的核心组件之一。在强磁场环境下，插件与含有内热源的液态金属流体相互作用，构成一个非定常动态耦合系统，决定着系统的安全性和能量转化率。目前，国内外相关研究尚不充分。本项目拟采用理论分析和数值模拟相结合的方法，首先对强磁场作用下液态金属的流动传热过程进行模拟，重点分析各种插件构形对传热性能的影响；其次，对多物理场作用下插件结构的动力学行为进行分析研究，确立结构失稳颤振的临界条件，对结构安全性进行评估；最后，建立插件和液态金属的动态耦合系统，考虑流动的非定常特性和结构的瞬态响应规律，精确模拟包层内液态金属的流动传热过程，揭示插件与液态金属之间的耦合作用机制，定性分析结构形变与流动失稳、传热效率的关系。目标是深入理解聚变环境下磁-热-流-固多物理场的耦合作用机制，为聚变堆包层模块的优化设计提供科学依据。

双冷锂铅包层是核聚变装置中实现高效能量转换的关键模块，流道插件是包层模块的核心组件之一。目前，国内外对包层模块内磁-热-流-固多物理场耦合效应的相关研究尚不充分，本项目采用理论分析和数值模拟相结合的方法开展了以下研究。.应用有限体积法和有限元方法，采用顺序耦合算法发展了模拟磁-热-流-固多物理耦合场的计算方法。基于此方法，分析了流道插件的材料特性和几何特性对金属流体MHD流动性能和传热性能的作用，发现了磁场与流道插件导电性对流体流动、包层传热效率和插件结构力学性能的非线性、非单调影响规律。.结合理论分析和数值计算方法，分析了外部磁场对Poiseuille-Rayleigh-Bènard流的稳定性、侧壁非对称方管MHD流动的线性稳定性和金属液体膜流稳定性的作用，给出了影响流动稳定性的主要因素，建立了稳定流动的阈值条件。.给出了磁-热-流-固耦合场中圆柱自激振动的解析解，为多物理耦合场的研究建立了基准解。.基于采用相容守恒格式的有限体积法和有限元方法发展了研究磁-热-流-固多物理场耦合动力学行为的算法，建立了可高效模拟耦合场瞬态、非定常行为的计算平台MPF，该平台可精确求解金属流体二维、三维的定常和非定常问题和固体结构的动力学响应。经过解析解和多个Benchmark解的验证，证明了MPF软件的可靠性、精确性和高效性。应用MPF计算平台，研究了绕流板布置方案对直通道内金属流体速度涡量和温度分布作用，给出了Nu数随时间的演化规律。.研究了强磁场、大梯度热源作用下双冷液态包层内金属流体混合对流的流动传热特性，发现在浮力效应作用下使用可导电流道插件将引起逆流的产生，而磁场对逆流有抑制作用。.基于滑移网格技术，我们提出了更高效、精确的统一滑移边界法，用于处理高Hartmann数下复杂表面MHD流动和动边界问题，为今后强磁场作用下金属流体的非定常流动传热性能研究建立了基础。