核聚變氦冷固態(tài)包層熱工水力數(shù)值模擬研究.pdf

1、核能作為一種重要的能源，其重要性在能源危機(jī)愈演愈烈的當(dāng)代社會(huì)中愈發(fā)凸顯，目前核電作為核能利用的主要方式。聚變包層是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的核心部件之一，由第一壁，氦氣連箱，增殖子模塊級(jí)其他相關(guān)附件組成，其中第一壁直接面對(duì)等離子體，是整個(gè)包層最為關(guān)鍵的部件。我國(guó)目前有兩種包層設(shè)計(jì)方案，分別是液態(tài)鋰鉛包層（DFLL）和氦冷固態(tài)包層（HCSB）。兩種方案都擁有相似的第一壁結(jié)構(gòu)，冷卻劑均為8MPa的氦氣。
　　本文重點(diǎn)研究HCSB-DEMO包層第

2、一壁的熱工水力學(xué)性能，其第一壁表面涂有3mm后的鈹層用做中子倍增劑。通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent的數(shù)值模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的方式，對(duì)包層熱工水力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，現(xiàn)有的HCSB-DEMO包層設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)材料的最高溫度發(fā)生在兩側(cè)的圓角外側(cè)，達(dá)到829.2K，已超過允許的最高溫度。通過減小最高溫度處相應(yīng)的流道截面積，可以增大流速繼而加大局部對(duì)流換熱系數(shù)，有效降低結(jié)構(gòu)材料的溫度，通過fluent分別模擬了幾種不同的流到寬度

3、工況，結(jié)果證實(shí)了強(qiáng)化換熱效果，其中流到寬度為15.0mm的流道可以滿足結(jié)構(gòu)材料的溫度要求，同時(shí)壓力損失可以控制在合理的范圍內(nèi)。
　　同時(shí)，本文對(duì)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了探討。對(duì)計(jì)算案例進(jìn)行了準(zhǔn)確性分析，并結(jié)合理論估算驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性，模擬所得的氦氣出口溫度，整體對(duì)流換熱系數(shù)與理論計(jì)算值得誤差均不超過5％。對(duì)有關(guān)邊界條件的設(shè)置進(jìn)行了分析，指出當(dāng)前采用的上下兩表面的周期性邊界條件的誤差，采用絕熱邊界條件對(duì)算例重新進(jìn)行了計(jì)算，確定了真實(shí)