磁场作用下金属液滴铺展动力学特性及机理研究

The spreading morphology of liquid metal droplet with effect of magnetic field is one of the key factors for the stability of liquid metal divertor in magnetic confinement fusion device. However, these research studies are still in the initial stage because of the difficulty in experimental measurement under magnetic field and the complexity in computation with multi-field coupling including contact line. The project will focus on studying the above problems systematically through experiments, theoretical analyses, and numerical simulations to understand the mechanism of liquid metal droplet spreading in the magnetic field. Firstly, we will establish a measuring system to obtain the spreading characteristics of droplet at small space of magnetic field accurately. And then, the influence of magnetic field on spreading characteristics of droplet such as dynamic contact angle, maximum spreading factor, and velocity of contact line at different experimental condition will be acquired by experiments. Furthermore, the energy balance method will be employed to set up a theory model to forecast the maximum spreading factor of droplet under magnetic field. Moreover, we will introduce the experimental data as the contact line boundary condition and carry out a series of numerical simulations to calculate the velocity distribution and electrical potential distribution in the droplet. Based on the above research results, we expect to explore the mechanism of liquid metal droplet spreading with effect of magnetic field. The above investigations may provide the basis in theory and technique for liquid metal divertor and some related industries to predict and control the spreading morphology of liquid metal droplet, and thus have important academic significance and practical application value.

磁场作用下金属液滴的铺展形态是影响磁约束核聚变中液态偏滤器稳定运行的重要因素之一。然而磁场环境下实验测量的难度以及包含接触线的多物理场耦合计算的复杂性使得该方向研究还处于初步阶段。本项目将针对这些问题从实验、理论和数值模拟方面开展系统研究，以揭示磁场作用下金属液滴铺展机理。首先通过建立可适用于较小磁场空间环境下精确获得液滴铺展特征的实验测量系统，以获得磁场对各种不同工况下液滴铺展特征如动态接触角、最大铺展系数、接触线移动速度等的影响规律；进而基于能量平衡的分析方法，获得磁场影响下的液滴最大铺展系数预测理论模型；进一步引入实验结果作为接触线边界条件，开展液滴铺展的直接数值模拟研究，获得液滴内部速度、电势分布；最后基于上述研究结果，分析磁场对金属液滴铺展影响的机理。本项目研究可为液态偏滤器及相关行业的金属液滴铺展形态预测及控制提供理论和技术基础，具有重要的学术意义和实际应用价值。

磁场作用下金属液滴的铺展形态是影响磁约束核聚变中液态偏滤器稳定运行的重要因素之一。然而磁场环境下实验测量的难度以及包含接触线的多物理场耦合计算的复杂性使得该方向研究还处于初步阶段。本项目针对这些问题从实验、理论和数值模拟方面开展了系统的研究工作，建立了在有限空间的磁场环境下能获得液滴撞击铺展、液滴相互碰撞运动学特征的实验系统、精确再现实验结果的直接数值模拟方法；建立了一个适用于预测高表面张力液态金属液滴撞击固壁后产生最大铺展系数的理论模型，发现了水平磁场环境下液滴撞击固壁后产生的非对称铺展现象，建立了平均最大铺展系数、铺展变形率与WeN的1次和1/2次关系，并基于直接数值模拟结果，从液滴内部洛伦兹力分布、能量平衡等方面深入阐述了金属液滴产生非对称铺展特征的机理；获得了金属液滴相互碰撞产生的各种现象，提出了不同碰撞结果之间的临界曲线，发现磁场能够极大地促进反射性分离的发生；获得了磁场对液滴撞击液膜所产生的飞溅以及撞击液池所产生的变形的影响。另外还发现了水平磁场对液膜表面波的具有极强的抑制效果，使得液膜表面波从三维转化成二维，建立了用于预测磁场对膜后影响的关联式；获得了长椭球体在水中下落过程中产生的 5 种典型路径，并进一步分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系。项目已发表论文11篇，其中SCI收录7篇，EI收录3篇，申请国家发明专利9项，授权发明专利1项，实用新型专利2项。已协助团队培养博士生4名，硕士生3名。项目获批经费61万元，累计支出42.3843万元，各项支出与预算相符，剩余经费18.6157万元，剩余经费计划用于该项目后续的研究支出。