复杂边界条件下静电探针在等离子体中的热力学模拟

摘要

随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，对能量的需求量在急剧增加，统观目前存在的种种能源，不是蕴藏量有限就是因为这样或那样的缺点而不能满足人类长期的能量需求。现在，开发和利用新的能源已追在眉睫，一个正在开发的新能源便是受控热核聚变反应能。所谓受控热核聚变，就是在人工控制的条件下将一团轻元素在高温等离子体态下约束足够长时间聚合成较重的原子核的反应。核反应时能释放大量的能量。为了利用热核聚变能，必须研究能被人们控制的热核聚变反应，也即受控热核聚变反应。受控热核聚变是一个综合性的研究课题，它促成了高温等离子体物理学科，还带动和发展了诸如大体积高真空和超高真空技术，这些高技术对国民经济建设和国防建设都息息相关。这些技术的水平在一定程度上反映了一个国家工业和科技的发展程度。
　　 我们已经知道，核聚变就是要将两个原子核结合在一起变成较重的核。为了使两个原子核靠近结合成新核。必须克服两核之间的库仑斥力，也就是说，原子核必须具有足够大的动能来冲过两核间的库仑位垒。因此，要使聚变反应能有效产生，以做成有用的能源，必须先将核燃料加热到高温，这种在高温条件下进行的聚变反应，称为热核聚变，通常必须将原子核加热到几亿度以上。我们知道，随着温度的升高，物质会从固态变成液态和气态，如果温度再进一步升高，就会有相当数量的中性粒子产生电离，分离成电子和离子，人们把这种电子和离子各自电荷大致相等的高温气态物质，称为等离子体。如何约束住如此高温的等离子体，我们用到了托卡马克磁约束装置，前苏联的塔姆和萨哈罗夫、美国的斯必泽分别独立地提出了以下的思想：在环形磁场(以后称为纵场)上再加一个沿环截面方向的磁场(以后称为极向场)，由这两个磁场合成为沿大环方向、具有大螺距的螺旋磁场，利用螺旋磁场的旋转变换持性来约束等离子体。
　　 为了托卡马克装置的优化和获得高性能的等离子体，例如高的中心密度和温度，好的芯部约束等，边缘等离子体和中心等离子体的同时控制是很重要的。因此，边缘等离子体参数的测量对研究中心等离子体是很重要的，这就可以用到朗缪尔静电探针。静电探针(亦称为朗缪尔探针)是最早被用来测定等离子体特性的一种诊断工具。静电探针理论是相当复杂的，不过在简单的条件下可以对探针的伏安特性曲线作出简明的解释，从而可以根据其伏安特性导出等离子体电子温度、密度和空间电位等重要参数而且它结构十分简单，并具有一定的空间分辨能力。
　　 要达到预期的实验效果和节省实验资源，考虑到现有比较成熟的仿真软件ANSYS及其表现在热力学分析方面的高可靠性，可以尝试在不同条件下建模，包括材料的选取和结构的设计，分别计算出结果，把结果进行对比分析，归纳出一般规律，总结出一套最优化设计方案。同时也可适当的优化边界条件，使其尽可能逼近现实状况，可达到更可靠的模拟效果。通过仿真能精确指导探针在材料，参数，和结构各方面的设计，进而优化探针在实验中的测量。
　　 本文主要研究内容是使用ANSYS软件对静电探针置入等离子体后的热力学状态进行数值仿真，分析在不同条件下静电探针经受等离子体热轰击和辐射时的热力学问题。
　　 本文系统分析了复杂边界条件对静电探针热状态的影响，设置了合适的载荷步计算出探针在整个等离子体脉冲下的热力学状态，尤其详尽分析和归纳了静电探针在时变脉冲载荷作用下整个时间过程的热状态变化规律。
　　 本文重点研究了静电探针中两种热性能差异较大材料之间存在的接触作用，分析了材料之间的接触热阻对探针整体热状态影响和接触作用对热力耦合状态的影响，根据计算设置可靠的接触热阻，多次修正模拟以达到和实际情况匹配。
　　 本文不仅研究了静电探针在等离子体脉冲轰击下整个时间过程的热状态，而且详细研究了机械力与热载荷同时加载后的热力耦合状态，对比分析了不同材料和结构状态下的模拟结果，同时分析和总结热力学状态随模型参数和边界条件变化的规律，选择可靠的材料组成和结构设计，优化模型边界条件加载，系统地指导与优化探针设计，延长其使用寿命，维持其正常工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1引言

1.2热核聚变的研究历史，现状与发展态势

1.3等离子体诊断历史，现状与发展态势

1.4静电探针简介与等离子体诊断现状

1.5论文的主要工作和内容安排

第二章ANSYS软件

2.1 ANSYS原理

2.1.1有限元方法与原理

2.1.2有限元法的特点

2.2 ANSYS简介

2.2.1热分析

2.2.2结构分析

2.3 ANSYS仿真分析的基本过程

2.3.1前处理

2.3.2加载并求解

2.3.3后处理

2.4本章小结

第三章朗谬尔静电探针工作原理

3.1静电探针工作原理

3.2静电探针结构与工作特性

3.3静电探针热力学分析的意义

3.4本章小结

第四章静电探针在等离子体中的瞬态热分析

4.1瞬态热分析的基本理论与方法

4.1.1瞬态热分析的定义

4.1.2瞬态热分析的计算公式

4.1.3瞬态热分析的基本步骤

4.1.4瞬态热分析的载荷步实现方法

4.2静电探针瞬念热分析过程

4.2.1静电探针模型结构尺寸与材料组成

4.2.2瞬态热分析的边界条件

4.2.3接触热阻的估算与数值模拟

4.2.4瞬态热解析与热接触分析

4.2.5热辐射对模型热状态的影响

4.3本章小结

第五章热-结构耦合场分析

5.1耦合分析涵义与分类

5.2热-结构耦合分析的意义

5.3稳态热力耦合计算与分析过程

5.4 ANSYS热-结构耦合数值模拟与分析

5.4.1热-结构耦合接触分析

5.4.2两个关键时刻的位移形变

5.4.3两个关键时刻的热应力状态

5.4.4静电探针的热应力状态解析

5.4.5材料杨氏模量与应力关系

5.4.6材料热膨胀系数与应力关系

5.4.7总结材料参数与应力关系

5.5本章小结

第六章模型材料选取与结构设计

6.1相似热性能材料仿真

6.1.1纯铜替换CuCrZr模拟分析

6.1.2 CFC替换石墨模拟分析

6.2优化陶瓷锥体锥度模拟分析

6.3本章小结

第七章指导与优化静电探针模型设计

7.1模型材料选取

7.2模型结构的优化设计

7.3模型热接触作用的效用

7.4本章小结

第八章结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果