水冷鎢銅偏濾器臨界熱流數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、托卡馬克裝置是目前最具應(yīng)用前景的受控?zé)岷司圩冄b置。偏濾器是托卡馬克聚變裝置中排除雜質(zhì)和輸出反應(yīng)能的關(guān)鍵部件，其熱負(fù)載超過5MW/m2，目前大多采用水冷以保證其在高熱負(fù)荷下的可靠工作。高熱負(fù)荷下的臨界熱流（Critical Heat Flux，CHF）是水冷偏濾器安全工作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。由于偏濾器臨界熱流試驗(yàn)預(yù)測(cè)難度大、成本昂貴，經(jīng)濟(jì)快速的數(shù)值模擬方法成為其設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要手段。然而，對(duì)于偏濾器臨界熱流的數(shù)值模擬方法目前尚不成熟，在預(yù)計(jì)準(zhǔn)確

2、度上也有待提高。針對(duì)此問題，本文進(jìn)行了以下研究：
　　首先，針對(duì)均相流沸騰模型對(duì)于臨界熱流計(jì)算準(zhǔn)確性不足的問題，采用對(duì)時(shí)間松弛因子的Hertz-Knudsen公式修正，改進(jìn)其對(duì)單邊高熱流下管內(nèi)汽液轉(zhuǎn)化效率和換熱效率的計(jì)算精度，來提高模型計(jì)算準(zhǔn)確性。通過與Ronald等人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，修正前模型計(jì)算得到的臨界熱流值與試驗(yàn)值誤差達(dá)到了180％，而修正后的模型計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差降低至20%以內(nèi)，且修正后模型計(jì)算得到的兩相體積分?jǐn)?shù)和換熱

3、系數(shù)等分布較為合理。
　　然后，為改進(jìn)兩流體模型在過冷沸騰計(jì)算中對(duì)膜態(tài)沸騰階段計(jì)算的有效性，采用含汽量分布函數(shù)的方法來描述氣泡流、攪拌流和彌散流等不同階段兩相流動(dòng)機(jī)制的變化，從而提高不同流動(dòng)機(jī)制下兩相界面?zhèn)鬏敽捅诿鎿Q熱的計(jì)算準(zhǔn)確度。改進(jìn)前后模型的計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)前的兩流體沸騰模型無法模擬出熱負(fù)荷達(dá)到臨界熱流時(shí)的壁面溫度突升現(xiàn)象，而修正后的模型有效模擬出了這一現(xiàn)象；通過與Ronald等人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算得到的臨界熱流值誤差約為

4、40%。過冷沸騰不同階段內(nèi)的兩相分布、換熱系數(shù)變化規(guī)律等計(jì)算結(jié)果也較為合理。
　　最后，為比較以上兩種模型對(duì)鎢銅偏濾器臨界熱流值計(jì)算的適用性，分別采用改進(jìn)的均相流和兩流體沸騰模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比研究相同工況下偏濾器內(nèi)過冷沸騰不同階段的兩相體積分?jǐn)?shù)分布、流場(chǎng)、壁面換熱等變化規(guī)律，得出如下主要結(jié)論：針對(duì)本文的研究對(duì)象和研究參數(shù)范圍，在臨界熱流的計(jì)算方面，均相流沸騰模型普適性較好，對(duì)于不同工況的臨界熱流計(jì)算誤差均不超過20%；兩流體沸

5、騰模型對(duì)于高壓力工況（Pin=4.2Mpa）臨界熱流計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度優(yōu)于均相流模型，誤差小于5%，但對(duì)于低壓力工況（Pin=0.2Mpa）計(jì)算準(zhǔn)確度不及均相流沸騰模型，誤差達(dá)到40%；而在兩相體積分?jǐn)?shù)和壁面換熱系數(shù)分布上兩流體模型計(jì)算結(jié)果比均相流模型更合理。兩流體模型由于可以描述相間作用和流動(dòng)機(jī)制的轉(zhuǎn)變，在改進(jìn)其子模型后，更適用于鎢銅偏濾器臨界熱流的數(shù)值模擬。
　　本文研究結(jié)論可為提高鎢銅偏濾器臨界熱流數(shù)值模擬方法的計(jì)算精度提供有益