磁约束聚变环境下液态锂薄膜流动稳定性与铺展性研究

In order to develop a liquid metal divertor for fusion reactor, stability and spreading analysis for liquid lithium thin film flow will be conducted with effects of strong magnetic field, large hear flux and high-temperature facing plasma considered. The researches focus on direct numerical simulation for thin film stability with consideration of MHD (magnetohydrodynamics) and Marangoni effects; direct numerical simulation of phase change on thin film stability under a strong magnetic field and a large hear flux; thin film instability analysis with consideration of a particle movement under a strong magnetic field; development of physical model for moving contact line under a strong magnetic field and its 3D simulation for spreading. The experimental work will be also conducted in order to make qualitative comparison with the numerical data and develop a physical model for moving contact line. The above investigation may deepen the physical understanding of instability and spreading of a thin film, and may rich the technique approach to reach the objective of a lithium film as a divertor for fusion reactor.

以磁约束聚变堆液态锂偏滤器的研发为背景，开展液态金属锂薄膜在强磁场、大热流密度及面对高温等离子体环境下的流动稳定性分析。研究内容包括：磁流体动力学（MHD）效应及MARANGONI效应下薄膜流动稳定性的直接数值模拟；强磁场及大热流密度下薄膜相变引起的流动稳定性的直接数值模拟；强磁场作用下固体颗粒迁移引起的薄膜流动稳定性分析；强磁场下液态金属接触线滑移的物理建模及三维数值模拟。此外，将构建强磁场作用下液态金属薄膜流动的实验平台，开展薄膜流动稳定性及铺展性的实验研究。这些研究工作的开展将推动多物理场及大热流密度下薄膜流动的深入研究，也对实现磁约束聚变堆在强磁场及大热流密度条件下液态锂偏滤器的安全有效运行具有指导意义。

以磁约束聚变堆液态锂偏滤器的研发为背景，项目开展了液态金属锂薄膜的一系列实验和数值模拟工作。发展了映射算法和相容守恒浸没边界算法，计算获得了磁场-尾涡-轨迹控制的物理机理，导出小球运动阻力和速度对磁场强度的标度律；发展了陡峭界面格式，研究发现在汽泡沸腾时，竖直磁场能有效地抑制气泡的长大和脱离，而水平磁场能够产生显著的各向异性效应，让沸腾呈现出准二维结构，磁场能够显著的抑制气泡脱离后沸腾上升；从实验和数值模拟方面获得了水平磁场条件下金属液滴撞击固壁/液膜后产生的椭圆形铺展特征，并给出了该现象产生的背后物理机理；发展适用于三维情况的接触角算法，获得了竖直磁场作用下液滴最大铺展半径随磁场强度变化的理论关系式，进一步通过计算获得了梯度磁场对液滴运动的影响以及磁场对气泡运动的影响规律和机理；在膜流稳定性分析方面，分别获得了时间模式和时空模式下磁场对热毛细不稳定S模态和P模态的稳定性影响规律；进一步考虑热流引起的膜流表面蒸发现象，发现自由界面蒸发不平衡度对于长波扰动和短波扰动会产生明显不同的现象，且当扰动波长足够长时，始终存在一个与哈特曼数无关的流动不稳定区域；发展了基于线激光的金属膜流表面轮廓定量测量方法，获得了水平磁场作用下金属液膜表面波从三维到二维的转变过程，给出了液膜厚度增加量与磁场强度和膜流流速之间的关系式，并进一步通过理论分析验证了该关系式的正确性；最后结合项目在膜流方向的前期研究基础，设计了一款液态锂膜流偏滤器并首次在实验室获得了液态锂膜流在偏滤器模型上的良好铺展效果，为未来液态锂偏滤器的设计提供了一种可行方案；项目发表学术论文43篇，其中SCI论文35篇，申请专利18项，获批经费290万元，已使用210.5385万元，剩余经费将继续按照规定开展后续研究工作。