磁约束聚变堆液态包层耦合场内传热特性的研究

The dual-coolant lead-lithium (DCLL) blanket is a key part for high energy transfer efficiency in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). The heat transfer performance of the blanket depends on the magneto-thermo-fluid-structure multi-physics coupled system with strong nonlinear and non-monotonic interaction. The main objective of the project is to better understand the physical mechanism of flow and heat transfer of liquid metal considering the fluid-structure interaction under strong magnetic field and three-dimensional mixed convection. The simulation platform for two-way coupling of multi-physics field will be developed through adaptive technology on the basis of finite volume method and the finite element method. The work will focus on (1) understanding the coupling effect of MHD, mixed convection and FCI vibration on flow instability; (2) investigating the effect of thermo-fluid field on the dynamical responses of flow channel insert and buckling conditions; (3) studying the dynamical coupling interaction and unsteady flow and heat transfer mechanism; (4) investigating experimentally the physical mechanism of affection of magnetic field on the fluid-structure interaction dynamics. This study will have significant value on both the blanket design and the interdisciplinary development of fluid dynamics, solid mechanics and heat transfer.

双冷液态包层是聚变堆实现能量转化的核心部件，是磁-热-流-固多物理场的耦合系统，各场间的相互作用具有强烈的非线性性和非单调性，复杂的耦合效应决定着包层的传热性能。本项目研究强磁场下金属流体的三维混合对流流动和传热过程。结合有限体积法和有限元方法，发展可模拟多物理场动态耦合过程的计算平台，系统研究MHD（磁流体动力学）效应下，金属流体混合对流与插件振动耦合作用下的流动失稳机理；探讨热流耦合效应对插件固有振动特性和失稳阈值的影响；精确模拟结构与热流的动态耦合过程，探究热流与结构间相互作用的物理机理，研究多场耦合效应对非定常流动和传热规律的影响，实验研究磁场对流固耦合效应的作用机理。该项目的研究一方面为磁约束聚变堆中液态包层的设计提供理论参考，另一方面可进一步深化流体力学、固体力学、传热学之间的交叉研究，具有重要的应用价值和学术价值。

双冷液态包层是聚变堆实现能量转化的核心部件，是磁-热-流-固多物理场的耦合系统。本项目结合有限体积法和有限元方法，建立了高效、高精度的磁-热-流-固多物理场耦合计算平台，研究包层内的流动传热性能，评估结构的安全性能。主要开展的研究：（1）研究了磁场-金属流体耦合效应对圆管振动特性的影响，给出了振动稳定性的阈值。（2）研究了包层模块内的混合对流传热，分析了实际工况下包层内速度场、温度场和结构的应力场，分析了热流与插件结构的相互作用，探究了浮力效应引起流动失稳和插件发生振动的机理，发现了磁场对热湍流的抑制作用，总结了湍流-层流-recovery湍流相图。（3）数值研究了U型流道内的准二维和三维MHD流动，分析了间隙比对涡结构的影响，分析了磁场影响流动稳定性的物理机理，总结了回流区长度与雷诺数和哈特曼数的关联式。（4）分析了磁场和间隙比对U型流道内的速度场、温度场和结构应变场的影响，研究了磁场和热源耦合效应对非定常流动和传热规律的影响。（5）建立了磁-流-固耦合实验平台，实现了不透明流体的速度测量。实验研究了磁场对MHD圆柱绕流的影响，发现了三种脱涡模式，分析了磁场对脱涡频率的影响规律，确定了流动失稳的临界条件。