核聚变环境中流道插件热应力模拟.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号 123184 核聚变环境中流道插件热应力模拟 杜跃斐，刘捷，余新刚，张年梅* 中国科学院研究生院物理科学学院，北京，100049 *Tel: 010 Email: nmzhang@gucas.ac.cn 摘要：本文对国际热核聚变实验堆（ITER ）的双冷锂铅（DCLL ）包层进行了流固共轭传热的三维数值模 拟，计算了两端固支和两端简支的流道插件 FCI （Flow Channel Insert ）结构的热变形和热应力分布。研究 了钢壁与外界的对流换热系数，FCI 材料的热导率对流固耦合区温度场的影响，分析了对流换热系数和热 导率对 FCI 结构热变形和热应力的影响规律。结果表明：若钢壁与外界的对流换热系数增大，则 FCI 温度 降低，导致热变形和热应力减小；高导热率的FCI 材料将使得 FCI 沿厚度方向温度梯度减小，导致结构的 热应力减小。以上模拟结果为分析 FCI 结构设计的合理性和新的优化方案提供了理论依据。 关键词：核聚变，FCI ，流固耦合，温度场，热应力 0.引言 能源问题日益突出，聚变能以其资源无限，无污染，不产生高放射性核废料等优点被誉 为未来人类社会的主导能源之一。国际热核聚变实验堆（ITER ）是当今世界科技界为解决 人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划[1] 。在聚变堆中，包层是实现聚变能源应用的 关键能量转换部件，图 1 所示的双冷液态锂铅（Dual-cooled Lithium Lead ）包层以其高功率 和高效性已经成为国内外学者主要关注的研究方案之一[2] 。在流道内安装的 FCI 因其良好的 绝热性和绝缘性能，起到隔热和降低流体压降的作用，以提高能量转化效率。国内外学者在 双冷锂铅包层的研究和设计方面都做了很多工作。美国的 S. Smolentsev 以及M. Abdou 等人 通过数值计算研究了双冷锂铅包层中的磁流体动力学以及 FCI 的热效应问题[3,4] 。A.R. Raffray 等人通过实验手段对 FCI 的碳化硅复合材料性能进行了大量的分析，这为目前和未 来的研究工作打下了基础[5] 。在国内，核工业西南物理研究院许增裕、潘传杰等人研究了 FCI 结构对磁流体动力学效应的影响，他们的实验结果为液态锂铅包层设计提供了有价值的 参考[6,7] 。中国科学院等离子体物理研究所汪卫华、吴宜灿使用数值模拟的方法对ITER 中国 液态锂铅实验包层模块磁流体 MHD 效应和结构热应力进行了研究 [8,9] 。FCI 流道插件是双 冷锂铅包层中的关键技术，其热变形状态直接影响到包层的功能，目前关于 FCI 在较高温 度场作用下的热变形和热应力的研究尚未见报导。深入研究 FCI 结构的温度场和热应力对 双冷锂铅包层的安全运行具有重要的意义。 图1 双冷锂铅包层结构示意图 基金项目: 国家自然科学基金重点项目，科技部 ITER专项（2009GB104001）资助 本文采用热流固耦合分析方法中的顺序耦合算法，首先计算出双冷锂铅包层内流体的速 度分布和全场的温度分布之后，将计算所得到的 FCI 表面温度作为计算 FCI 热应力的边界 条件进行结构的热变形和热应力的计算，深入分析了流场和温度场对 FCI 结构热变形、热 应力分布的影响规律。 1.数理模型 1.1物理模型 本文采用 ITER 实验堆双冷锂铅包层的设计模型进行计算仿真。如图 1 所示，包层的最 外层是复合钢壁结构，其内部流动的是锂铅金属流体，FCI 安装在流体内部。FCI 内部的流 体称为主流区, FCI 与钢壁之间的间隙也充满了锂铅流体，称为间隙流区。钢壁结构内部的 大量通道中有低温氦气流动。本文基于 UCLA 的简化模型[3]模拟包层中的温度场和 FCI 的应 力场，包层沿 z 方向长度为 2m，流体域沿x 方向尺寸 0.2m，沿y 方向尺寸为 0.3m,钢壁与 FCI 厚度均为 5mm，钢壁与 FCI 的间隙距离为2mm 。物理过程：温度为733K 的锂铅金属 流体从入口端以均匀的速度 0.06