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磁场作用下液态金属LiPb实验回路测试段的流动传热研究

磁场作用下液态金属LiPb实验回路测试段的流动传热研究

作     者:张喜东 

作者单位:淮北师范大学 

学位级别:硕士

导师姓名:王红艳

授予年度:2010年

学科分类:080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题:实验回路 液态金属 LiPb MHD效应 

摘      要:在聚变堆包层研究中,液态金属LiPb包层由于其具有复杂几何适应性、高氚增殖比、在线取氚和换料方便等诸多优势而作为包层的首要研究和设计方案为世界各国所青睐。然而,磁约束聚变堆包层运行环境苛刻,液态金属LiPb在包层和堆外辅助系统中流动会带来很多具有挑战性的技术问题。如导电的液态金属LiPb在液态包层中横穿聚变强磁场流动会造成导电流体与磁场相互作用的磁流体动力学(MHD:Magnetohydrodynamics)效应,这种MHD效应会使得液态金属LiPb在包层中的流场分布发生改变,并造成很大的MHD压降和驱动功率,进而影响整个包层的传热效率等。而液态金属LiPb实验回路是营造聚变堆工况来研究液态金属LiPb与结构材料的相容性、液态金属LiPb的流动特性和液态金属LiPb的MHD效应等问题的重要实验设备。 本论文在对国内外液态金属实验回路,尤其是LiPb实验回路广泛调研的基础上,针对实验的需求设计了可进行LiPb自然对流和强迫对流传热研究的小型回路实验平台。并利用大型商用计算流体动力学软件FLUENT对回路的简化模型分别进行了2D和3D的自然对流数值模拟研究,计算结果基本与回路的设计要求相吻合。在对速度场和温度场深入分析的基础上,就回路中管道的弯曲部分的选取和铺设提出了优化建议。 利用FLUENT提供的用户自定义函数功能对动量方程、能量方程及k-epsilon等方程中的相关项进行了修正。结合FLUENT本身自带的MHD模块和自编的磁场程序对圆形和方形测试段管道及不同管壁材料情形下的流动传热和MHD压降进行了数值模拟。同时利用现有的理论计算公式对测试段的MHD压降进行了理论计算,进而与数值模拟结果进行了对比分析,结果显示圆形和方形管道均可满足实验要求。这些都为更好的指导回路实际实验提供理论和设计参考。

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