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偏滤器部件中W/Cu模块传热的数值模拟分析

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核聚变与等离子体物理 2024年第2期44卷 133-140页

作者：张小强鲁碧为刘家琴孙飞吴玉程合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009 合肥中科重明科技有限公司合肥230009 合肥工业大学工业与装备技术研究院合肥230009 有色金属材料与加工国家地方联合工程研究中心合肥230009 先进能源与环境材料国际科技合作基地合肥230009

利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析,获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m^(2)·K)^(‒1),而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m^(2)... 详细信息

利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析,获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m^(2)·K)^(‒1),而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m^(2)·K)^(‒1)。此外,两种稳态热分析方式得到的W/Cu模块的温度场数值相近;在20MW·m^(‒2)热流密度下,W/Cu模块的温度场、应力场分析结果均超出了对应材料的许用范围,严重影响了偏滤器部件的稳定运行。

关键词：偏滤器 W/Cu模块稳态热分析对流传热系数有限元仿真

HL-2A托卡马克偏滤器脱靶时边缘极向旋转和湍流动量输运的研究

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物理学报 2024年

作者：龙婷柯锐吴婷高金明才来中王占辉许敏核工业西南物理研究院

偏滤器脱靶为降低托卡马克靶板热负荷提供了一种有效的解决方案，但脱靶可能引起边界等离子体状态发生变化，影响整体约束性能。本文报道了在HL-2A托卡马克上开展的L模放电偏滤器脱靶时边界等离子体极向旋转和湍流动量输运的实验研究。... 详细信息

偏滤器脱靶为降低托卡马克靶板热负荷提供了一种有效的解决方案，但脱靶可能引起边界等离子体状态发生变化，影响整体约束性能。本文报道了在HL-2A托卡马克上开展的L模放电偏滤器脱靶时边界等离子体极向旋转和湍流动量输运的实验研究。采用在偏滤器室注入混合气体（60%氮气+40%氘气）的方式实现了偏滤器脱靶。研究发现，在未脱靶-预脱靶-脱靶过程中，实验测得的近刮削层区域E×B极向流速与湍流动量对极向旋转的驱动作用（雷诺应力）的演化是一致的；相较于未脱靶状态，脱靶时等离子体边缘极向速度剪切明显降低，导致湍流水平增强。在湍流输运和辐射都增强的共同作用下，等离子体整体约束性能下降。研究结果表明，边缘湍流输运和等离子体旋转动力学在偏滤器脱靶影响整体约束的芯-边耦合机制中发挥作用。

关键词：核聚变能偏滤器等离子体湍流等离子体流

CFETR偏滤器低温泵抽气系统的设计和有效抽速的计算

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核聚变与等离子体物理 2024年

作者：张西洋许铁军姚达毛安徽理工大学人工智能学院中国科学院等离子体物理研究所

CFETR提出了混合偏滤器-包层集成概念，偏滤器下方被增殖包层占据。偏滤器抽气通道设计在增殖包层内，满足有效抽气流量为250Pa·m3·s-1的工程设计要求。基于真空流导计算理论设计了偏滤器低温泵抽气系统，计算比较了不同截面形状下偏... 详细信息

CFETR提出了混合偏滤器-包层集成概念，偏滤器下方被增殖包层占据。偏滤器抽气通道设计在增殖包层内，满足有效抽气流量为250Pa·m3·s-1的工程设计要求。基于真空流导计算理论设计了偏滤器低温泵抽气系统，计算比较了不同截面形状下偏滤器低温泵抽气系统的流导和单台低温泵在偏滤器抽气通道入口的有效抽速。在增殖包层内设计正方形截面形状的抽气通道更为合理，可同时满足粒子排除要求和增殖包层强度要求。当正方形截面尺寸为350mm×350mm，偏滤器低温泵抽气系统流导为12.08 m3·s-1，单台低温泵在偏滤器抽气通道入口的有效抽速为9.905m3·s-1时，26台低温泵可满足粒子排除要求，假设一个下窗口设置2台低温泵，低温泵共占用13个下窗口。基于理论公式设计了偏滤器低温泵抽气系统和评估了偏滤器的粒子排除能力，为后续CFETR的偏滤器抽气通道优化和有效抽速评估提供了理论依据和参考。

关键词： CFETR 偏滤器流导有效抽速低温泵

偏滤器微纳表面冷却通道的过冷流动沸腾数值模拟

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核聚变与等离子体物理 2023年第4期43卷 392-401页

作者：刘晋周展如黄生洪叶民友中国科学技术大学核科学技术学院合肥230026 中国科学技术大学工程科学学院合肥230027

为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性,结合微纳表面可视化微观观察实验数据,在现有气泡参数模型的基础上,对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改,提出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果... 详细信息

为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性,结合微纳表面可视化微观观察实验数据,在现有气泡参数模型的基础上,对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改,提出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果的计算模型。用该模型对压力为4MPa、速度为10m·s^(-1)、进口温度为423K的偏滤器水冷结构中的过冷流动沸腾进行计算,得到常规水冷通道与微纳表面水冷通道各结构的温度与气相体积分布。计算结果表明,微纳表面的平均传热系数提高约一倍;在无氧铜与铬锆铜的许用温度范围内,微纳表面通道偏滤器承受的稳态热流密度可达14MW·m^(-2)。

关键词：微纳米结构化表面气泡特征参数过冷流动沸腾偏滤器数值模拟

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聚变堆偏滤器拓扑优化设计与稳态热分析

工程设计学报 2023年第5期30卷 601-607页

作者：张小强鲁碧为刘家琴吴玉程合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009 合肥中科重明科技有限公司安徽合肥230000 合肥工业大学工业与装备技术研究院安徽合肥230009 合肥工业大学有色金属与加工技术国家地方联合工程研究中心安徽合肥230009 合肥工业大学先进能源与环境材料国际科技合作基地安徽合肥230009

为了提高聚变堆偏滤器的冷却能力,以满足其高温服役性能需求,基于一体化增材制造技术,以换热量最大为设计目标,采用变密度法对偏滤器中的W/Cu模块进行拓扑优化设计和模型重构,并采用大型商用仿真软件对拓扑优化后的W/Cu模块进行有限元... 详细信息

为了提高聚变堆偏滤器的冷却能力,以满足其高温服役性能需求,基于一体化增材制造技术,以换热量最大为设计目标,采用变密度法对偏滤器中的W/Cu模块进行拓扑优化设计和模型重构,并采用大型商用仿真软件对拓扑优化后的W/Cu模块进行有限元数值模拟及温度场、应力场计算。结果表明,在10 MW/m2稳态热流密度条件下,拓扑优化后W/Cu模块的最高温度降低了108.5℃,仅为512.3℃;W/Cu模块界面处的最大热应力下降了264.2 MPa,仅为486.5 MPa,说明应力分布得到明显改善;W/Cu模块的总变形和弹性应变均大幅减小。该拓扑优化结构的应用可大大提升聚变堆偏滤器实现低成本、高效率、高可靠性的一体化增材制造的可行性。

关键词：聚变堆偏滤器增材制造 W/Cu模块拓扑优化稳态热分析

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HL-2M偏滤器超汽化结构冷却性能研究

核聚变与等离子体物理 2022年第4期42卷 410-417页

作者：李云峰蔡立君卢勇张龙核工业西南物理研究院成都610041

利用ANSYSCFX分析软件对HL-2M偏滤器超汽化结构模块方案进行了热工水力分析。研究结果表明:在流道高度为6mm时,翅片高度为3mm、厚度为4mm的超汽化结构排热能力最佳。当超汽化结构偏滤器表面热流密度为10MW·m^(-2)时,靶板表面最大温度小... 详细信息

利用ANSYSCFX分析软件对HL-2M偏滤器超汽化结构模块方案进行了热工水力分析。研究结果表明:在流道高度为6mm时,翅片高度为3mm、厚度为4mm的超汽化结构排热能力最佳。当超汽化结构偏滤器表面热流密度为10MW·m^(-2)时,靶板表面最大温度小于700℃,热沉最大温度小于300℃,满足排热能力需求和材料许用范围。

关键词： HL-2M装置偏滤器超汽化结构热工水力分析

CFETR产氚包层与偏滤器部件在热室内维修与退役流程的概念设计

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核聚变与等离子体物理 2022年第4期42卷 378-382页

作者：许婉韵王才旺罗蓉蓉黄超李鹏远许发勇邓华林陈辉核工业西南物理研究院成都610041

为保证聚变堆环境的核安全,需要在热室内及时对产氚包层及偏滤器进行检测、维修或退役处理。针对CFETR产氚包层与偏滤器结构特点,设计了一套在热室内维修与退役处理的工作流程,包括放射性废物处理、核去污、除氚等关键工艺,并参照ITER设... 详细信息

为保证聚变堆环境的核安全,需要在热室内及时对产氚包层及偏滤器进行检测、维修或退役处理。针对CFETR产氚包层与偏滤器结构特点,设计了一套在热室内维修与退役处理的工作流程,包括放射性废物处理、核去污、除氚等关键工艺,并参照ITER设计,遵循ALARA原则,完成了热室内各功能区域的放射性分级。

关键词： CFETR 热室包层偏滤器遥控操作

偏滤器高热流密度散热的微通道冷却模块的结构改进及性能研究

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偏滤器高热流密度散热的微通道冷却模块的结构改进及性能研究

作者：刘畅南京理工大学

学位级别：硕士

偏滤器作为核聚变反应堆的关键部件之一,其直接面对来自核聚变等离子体的超高热流,因此其承受超高热流的能力对核聚变装置的稳定安全运行至关重要。近年来,中国聚变工程实验堆对偏滤器靶板表面提出了更高的热负荷能力需求,稳态时的热流... 详细信息

偏滤器作为核聚变反应堆的关键部件之一,其直接面对来自核聚变等离子体的超高热流,因此其承受超高热流的能力对核聚变装置的稳定安全运行至关重要。近年来,中国聚变工程实验堆对偏滤器靶板表面提出了更高的热负荷能力需求,稳态时的热流密度最大值可达20 MW/m2,因此,须对高热负荷工作环境下的偏滤器进行有效的冷却,保证偏滤器可有效的排出高热负荷。微通道散热器具有表面积与体积比大、单位面积散热效率高、自重轻、体积小等优点已逐渐成为高热流密度电子器件热管理最有效的手段之一。因此,本文将微通道冷却技术应用到偏滤器模块上,研究微通道在超高热流下的换热能力,以此探究微通道能否满足偏滤器超高热流密度散热需求。本文首先设计了在矩形开放通道的开放区域布置横肋的横肋开放式微通道(Open microchannel heat sink with transverse ribs,OMHS-TR),通过数值模拟研究了其强化换热机理,并探究了横肋数目及高度对微通道流动及换热特性影响。此外,为了通过降低泵送功率以提高微通道的综合性能,本文提出了沿流动方向通道宽度和高度逐渐增加的开放式渐扩微通道(Open Diverging Microchannel Heat Sinks,ODMHS),先通过数值模拟探究了进出口高度比和宽度比对微通道的流动换热特性的影响,再通过实验进一步研究了开放式渐扩微通道的热工水力性能。最后以开放式渐扩微通道为冷却结构,以钨为面对等离子体材料,无氧铜为过渡材料构建了偏滤器靶板微通道高热负荷模块并对其进行了温度及热应力分析,进而评价了偏滤器模块承载热负荷的能力。在带有横肋的开放式微通道(OMHS-TR)中,横肋能够通过换热面积的增加以及对热边界层的中断使得换热效果增加显著。OMHS-TR的加热面平均温度及最高温度均随流量的增加而降低。随着横肋数目的增多,涡流范围增大使得最高温度及平均温度显著降低。横肋高度的增加使得涡流范围增大,对流体的扰动作用增强。同时横肋高度增大促进了射流冲击并增大了换热面积使得换热性能显著提高。但是,由于横肋的流动阻塞效应使得压降增大。随着横肋数目及高度的增加,压降及表观摩擦系数随之增加,增加的幅度远大于矩形开放式微通道。最终使得横肋带来的强化换热效果无法抵消横肋带来的压降损失进而使得综合性能下降。为了通过降低泵送功率来提高热沉综合性能,设计了开放式渐扩微通道。对于开放式渐扩微通道(ODMHS),增大进出口通道高度比,可以通过增大对流传热面积改善传热性能,但进出口宽度比的增大会使通道内流速减小,继而对热性能造成不利影响。进出口通道宽度比和高度比增大均使通道流动面积增大,流速减小,从而达到降低压降,改善ODMHS水力性能目的。宽度比为1.33和高度比为1.3的ODMHS的综合性能最好。在对ODMHS的流动换热实验中,由于进口流量较大,流体流动几乎处于单相对流区域。当进口流量为3 L/min时,ODMHS可承受高达15.6 MW/m2(非临界热流)的稳态热流。考虑到微通道热沉的换热性能及压降特性,以综合性能最优的开放式渐扩微通道为基础构建偏滤器微通道高热负荷模块并对其进行换热特性分析,在进口流量为30 L/min,热流20 MW/m2时,钨表面最高温度为952.6 K,远小于材料的许用温度1473 K。对微通道高热负荷模块在20 MW/m2热负荷下的不同阶段(加热阶段和冷却阶段)的热应力进行模拟分析,由于钨铜材料的杨氏模量和热膨胀系数差距过大,使得最大应力出现在钨铜交界处,此时最大热应力仍满足许用应力。无氧铜层发生塑型变形进而缓解热应力。在加热或冷却过程中,钨层上表面中间部分受到拉应力,此时拉应力仍小于极限拉伸强度。随着焊接温度的提高,由于温度梯度的增加使得热应力增大但仍满足许用应力要求。偏滤器微通道高热负荷模块温度性能及力学性能可靠。

关键词：偏滤器微通道高热流换热强化压降高热负荷模块

偏滤器第一壁W/Cu FGM的热应力模拟与优化设计

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稀有金属材料与工程 2011年第9期40卷 1658-1661页

作者：朱大焕王坤王先平刘长松方前锋陈俊凌中国科学院固体物理研究所材料物理重点实验室安徽合肥230031 中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031

采用有限元ANSYS软件对偏滤器第一壁W/CuFGM进行热应力模拟分析,并对其参数进行优化设计。结果表明,优化后的梯度层应力较无梯度层时得到了极大的缓和,最大等效应力值降低58%。最优化的梯度层层数为5,Cu浓度分布指数为0.4;同时在10MW/m... 详细信息

采用有限元ANSYS软件对偏滤器第一壁W/CuFGM进行热应力模拟分析,并对其参数进行优化设计。结果表明,优化后的梯度层应力较无梯度层时得到了极大的缓和,最大等效应力值降低58%。最优化的梯度层层数为5,Cu浓度分布指数为0.4;同时在10MW/m2的表面热流冲击下,表现出较好的抗热冲击能力。

关键词：偏滤器 W/CuFGM 界面热应力有限元分析