水冷钨铜偏滤器临界热流数值模拟方法研究

摘要

托卡马克装置是目前最具应用前景的受控热核聚变装置。偏滤器是托卡马克聚变装置中排除杂质和输出反应能的关键部件，其热负载超过5MW/m2，目前大多采用水冷以保证其在高热负荷下的可靠工作。高热负荷下的临界热流（Critical Heat Flux，CHF）是水冷偏滤器安全工作的关键设计参数。由于偏滤器临界热流试验预测难度大、成本昂贵，经济快速的数值模拟方法成为其设计优化的重要手段。然而，对于偏滤器临界热流的数值模拟方法目前尚不成熟，在预计准确度上也有待提高。针对此问题，本文进行了以下研究：
　　首先，针对均相流沸腾模型对于临界热流计算准确性不足的问题，采用对时间松弛因子的Hertz-Knudsen公式修正，改进其对单边高热流下管内汽液转化效率和换热效率的计算精度，来提高模型计算准确性。通过与Ronald等人的试验数据对比，修正前模型计算得到的临界热流值与试验值误差达到了180％，而修正后的模型计算值与试验值误差降低至20%以内，且修正后模型计算得到的两相体积分数和换热系数等分布较为合理。
　　然后，为改进两流体模型在过冷沸腾计算中对膜态沸腾阶段计算的有效性，采用含汽量分布函数的方法来描述气泡流、搅拌流和弥散流等不同阶段两相流动机制的变化，从而提高不同流动机制下两相界面传输和壁面换热的计算准确度。改进前后模型的计算结果表明，改进前的两流体沸腾模型无法模拟出热负荷达到临界热流时的壁面温度突升现象，而修正后的模型有效模拟出了这一现象；通过与Ronald等人的试验数据对比，计算得到的临界热流值误差约为40%。过冷沸腾不同阶段内的两相分布、换热系数变化规律等计算结果也较为合理。
　　最后，为比较以上两种模型对钨铜偏滤器临界热流值计算的适用性，分别采用改进的均相流和两流体沸腾模型进行数值模拟，对比研究相同工况下偏滤器内过冷沸腾不同阶段的两相体积分数分布、流场、壁面换热等变化规律，得出如下主要结论：针对本文的研究对象和研究参数范围，在临界热流的计算方面，均相流沸腾模型普适性较好，对于不同工况的临界热流计算误差均不超过20%；两流体沸腾模型对于高压力工况（Pin=4.2Mpa）临界热流计算结果准确度优于均相流模型，误差小于5%，但对于低压力工况（Pin=0.2Mpa）计算准确度不及均相流沸腾模型，误差达到40%；而在两相体积分数和壁面换热系数分布上两流体模型计算结果比均相流模型更合理。两流体模型由于可以描述相间作用和流动机制的转变，在改进其子模型后，更适用于钨铜偏滤器临界热流的数值模拟。
　　本文研究结论可为提高钨铜偏滤器临界热流数值模拟方法的计算精度提供有益参考。

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注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究发展情况

1.3 本文主要研究内容

第二章 沸腾数值模拟模型分析

2.1均相流沸腾模型

2.2两流体沸腾模型

2.3本章小结

第三章 偏滤器临界热流均相流沸腾模型计算方法研究

3.1 物理模型及网格划分

3.2 数值计算方法及边界条件

3.3 数值计算结果分析

3.4 均相流沸腾模型修正

3.5 改进的均相流沸腾模型计算结果分析

3.6 本章小结

第四章 偏滤器临界热流两流体沸腾模型计算方法研究

4.1 物理模型及网格划分

4.2 数值计算方法及边界条件

4.3 数值计算结果分析

4.4 两流体沸腾模型修正

4.5 改进的两流体沸腾模型计算结果分析

4.6 本章小结

第五章 两种模型计算结果对比分析

5.1冷却通道内气体体积分数计算结果对比分析

5.2冷却通道内流场计算结果对比分析

5.3壁面换热系数计算结果对比分析

5.4临界热流计算结果对比分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

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