液态金属包层强磁场作用下复杂几何构型内的磁流体流动与传热特性研究

The fusion blanket structure is relatively complex for the adaption of the shape of plasma.Some geometery configurations are existed commonly for the liquid LiPb blanket, such as 3D sudden contract/expansion, bending channel and manifold. The 3D MHD effect with different flow characteristics happens in these different configurations. It is the most serious MHD issue appeared in the liquid metel blanket and also the commom issue for the design of the thermal hydraulics. Based on the MHD theoretic analysis and 3D numerical simulation, the project will give the study on the flow mode of the laminar and turbulent in these complex components, the flow characteristic under different flow modes, the influence on the heat transfer with asymmetrical flow distribution and flow field, and the influence on the pressure variaty with different structure surface roughness, etc.. Combined with the experimental analysis, the velocity profile, temperature and pressure distributions in these special structures will be obtained. The study will not only have a significant role on the design optimization of the blanket structure and thermal hydraulics, but also enrich the flow and heat transfer theories about the MHD effect in the liquid metel blanket.

聚变堆包层因其适应等离子体形状而结构设计相对复杂，对于液态金属包层普遍存在几种共性的几何构件，如突扩突缩管道、弯管、分配收集箱等，磁流体在这些复杂形状管道内流动会出现显著不同特征的三维磁流体效应，是包层内最为严重的磁流体现象，也是液态金属包层共有的热工水力学问题。本项目从磁流体理论分析和三维数值模拟出发，研究锂铅磁流体在这些复杂几何构型内的层流和湍流流动模式、不同流动模式下的流动特性、不同流量分配以及流速分布不均匀性对传热影响、管道内壁表面粗糙特征对流动模式及压力变化影响等问题，了解锂铅在这些特殊管型内的三维MHD流动内在规律及对传热的影响。结合实验测试分析，获得锂铅在多种复杂构件内的三维磁流体速度场、温度场和压力场的分布。本项目的完成为包层中液态金属流道设计及优化提供依据，为液态锂铅包层的热工水力学设计提供指导，同时在学术上将丰富磁流体在包层内的流动理论和传热机制。

本项目针对液态金属锂铅包层强磁场作用下复杂几何构型内的磁流体的热工水力学特性的关键问题，利用数值模拟以及实验测量等不同方法开展了液态金属锂铅磁流体的流动和传热特性研究。首先基于OpenFOAM开源平台开发出适合于求解液态金属流动下的高哈特曼数与传热耦合求解器，适用于强磁场环境复杂几何结构下的液态金属流动和传热数值模拟，程序已通过理论解、数值和实验结果进行了数值对比验证。基于自主开发的软件，对聚变堆液态金属包层复杂构件分配联箱内MHD流动进行了理论分析和数值模拟研究，开展了液态金属在分配箱内平行分支管道的流量分配的影响因素分析，流体因电磁耦合效应流道面积突然变化导致的速度场和压力场的分布变化，以及不同电导率管道壁对电磁耦合效应的影响等研究工作；其次分别针对液态包层中存在的弯管和突扩区域，以及带有氦气流道壁面的液态金属MHD流动进行了分析，给出了降低突扩、突缩部位三维压力降的管道优化设计，得到对应最小三维压力降的管道水力半径与对应的弯曲长度和角度之间的优化关系，并发现了氦气流道的存在会引起内部MHD流动的速度震荡，导致压降梯度也会形成局部微小震荡。实验方面，开展了MHD实验段设计建造与高温速度和压力测量技术探索，基于项目组早期的高温锂铅回路，完成了MHD分配联箱实验段的设计，确定了压力、速度和温度的测量方案，开展数据测量和采集工作。本项目的完成对强磁场下聚变包层复杂几何构型内的磁流体热工水力特性有了明确的认识，为液态锂铅包层热工水力学设计和包层结构设计提供理论指导和实验依据。