强磁场下液态金属微槽道流动与换热实验研究

聚变堆面向等离子体第一壁需要承受高强度的中子辐照和表面热负荷,普通材料难以满足要求,采用流动的液态金属作为面向等离子体第一壁是一种有效的解决途径。液态金属作为第一壁的关键前提是需要解决其在壁面均匀铺展的问题,以及需要研究在外加磁场条件下液态金属与壁面的换热特性,已有研究表明微槽道表面结构有助于液态金属的铺展。本文以液态金属镓铟锡合金为工质,通过实验研究在外加均匀磁场条件下,液态金属在微槽道中的流动与换热特性以及无磁场条件下液态金属在微槽道中的流动与换热特性,并对比两种不同工况下实验结果的差别,研究磁场对液态金属在微槽道中流动与换热的影响。     

磁场作用下三维方腔内液态金属自然对流的数值模拟

为研究液态金属在磁场和壁面不同导电特性下的自然对流换热规律,对磁场作用下三维封闭方腔内的液态金属自然对流进行了数值模拟. 研究表明:当没有外加磁场时,模拟结果与已有实验结果相符;当存在外加磁场时,三维方腔内的流动和换热出现较大变化. 由于液态金属在磁场中运动产生感应电流,感应电流与外加磁场相互作用产生一个与运动方向相反的洛伦兹力,抑制了流动和液态金属的自然对流换热. 通过绝缘边界和导电边界的研究结果对比表明,壁面导电性能对于磁流体流动和换热产生很大影响.     

强磁场对导电流体热毛细流动和换热影响的实验研究

核聚变装置限制器有效地屏蔽来自器壁的杂质，排出来自中心等离子体的粒子流和热流。液态金属可以较好地完成这一任务。液态金属具有导热性强、液相温度范围大和易于补充等特性，是未来聚变反应堆面向等离子体部件的主要备选材料之一。限制器的不同位置存在较大的温差，在表面张力驱动下液态金属自由表面形成热毛细对流。该热毛细对流受到聚变堆强磁场的影响。通过建立导电流体自由表面热毛细对流实验系统获得可视化的实验结果，研究温差变化和强磁场参数对导电流体自由表面热毛细对流的影响规律，深入分析该过程对液态金属在未来聚变堆面向等离子体部件的成功应用具有重要意义。     

等离子体与液态金属相互作用的不稳定现象分析

未来聚变堆中,液态金属作为最有前景的面向等离子体部件之一,会同时受到超强磁场和高温等离子体的作用,离开原位置而进入堆芯等离子体中.本文列出3种具有代表性的不稳定现象并进行综合分析:1)由等离子体轰击液态金属引起的溅射现象,2)液态金属在磁场和电场共同作用下直接进入等离子体的飞溅现象和3)已经进入等离子体内部的金属液滴再次落下与液膜发生碰撞的现象.前人已经对溅射和液滴撞击液膜现象进行了深入研究.本文对前人的研究成果进行整合与分析,提出新的实验构想,探究磁场和电场作用下液态金属飞溅现象的形成机理.实验研究发现液态金属自由表面会逐渐长高,直至液态金属发生自由表面飞溅,飞溅的液滴能脱离液态金属"山峰"并落下,伴有二次液滴的形成.     

空气-水段塞流冷却传热与相界面分布实验研究

针对海底油气管道的散热问题搭建水平气液两相段塞流换热实验装置。研究冷却液温度4℃条件下无相变冷却过程段塞流的换热特性。实验中采用双平行电导探针、热电偶、热电堆等多种测量手段对冷却条件下段塞流的流动和传热参数进行测量。给出对流换热系数与流动界面分布参数变化规律，表明管道上下壁面由于传热不均存在显著的温差。结果还表明，段塞流对流换热系数受气相表观流速影响较小，流体与下壁面之间的对流换热明显强于与上壁面之间的对流换热。     

液态金属热输运过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对平板间液态金属的流动换热过程进行模拟.研究液态金属的微观热输运过程,左右两侧平板采用Cu原子作为恒温固壁,液态金属Pb处于平板间,以FCC结构为初始排列.模拟结果表明,在平板间的液态金属温度分布呈线性变化;不同温度下液态金属在恒温平板间的热输运模拟过程表明,平板间液态金属的热导率随温度的升高而增加,呈现线性变化.当在系统上施加一个重力加速度时,平板间未出现明显的自然对流,表明在微尺度下,边界阻力和粘滞力抑制了液态金属的自然对流.     

强磁场和电场作用下的液态金属飞溅抑制的实验研究

液态金属作为聚变堆中的液态第一壁,在强环形磁场与等离子体电流的共同作用下,产生指向等离子体的电磁力,发生不可控的金属液滴飞溅现象,严重威胁聚变堆的安全性和稳定性。使用一种毛细槽道结构,它不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积,使黏附力增大;而且它会大大削减润湿阻力和电磁力的作用,达到抑制飞溅的效果。液态金属表面的稳定性,可通过提高表面的润湿性以及表面结构的合理选择来改善。本实验分析毛细槽道结构抑制液态金属飞溅的原理和效果,并研究飞溅过程中表面结构对抑制效果的影响。     

磁场和自由界面热流下二维液态锡膜流的传热模拟

液态金属偏滤器具有自修复和热负荷能力,因此成为偏滤器的重要设计方案。偏滤器上的液态金属膜流处于磁场和高强度热流下,且装置运行时产生的低频扰动会使薄膜流动发展为毛细孤立波。在毛细孤立波膜流中,波谷位置的毛细分离涡会显著增强该区域的对流换热。研究雷诺数为58的液态锡毛细孤立波膜流在底壁附近的换热现象。结果表明：无外加磁场和自由界面热流时,液态锡毛细孤立波薄膜流动复现了努塞尔数在波谷位置显著增强的现象;仅施加磁场时,由于洛伦兹力的阻尼效应,毛细分离涡处的换热增强效果被抑制;仅施加热流时,由于膜流被加热,总换热量增加,导致努塞尔数分布更均匀;同时施加磁场和热流时,两者的作用会叠加。     

展向磁场作用下液态金属GaInSn多层膜流实验研究

研究在展向磁场作用下，液态金属GaInSn膜流在有机玻璃方腔多层通道中的流动特性。实验首次采用3台激光轮廓测量仪同时捕捉3个位置的液膜表面2D轮廓变化，实现液膜厚度测量。研究结果表明：在有机玻璃通道内，液膜表面波动随流动雷诺数的增大而明显增加；引入的展向磁场有效地抑制沿磁场方向的表面波动，而对沿流向的波动影响较小。在液膜平均厚度变化方面，随磁场的增强，液膜厚度在较小雷诺数时减小，在中等雷诺数时先减小后增大，在大雷诺数时单调增大。同时，磁场对流动的阻碍作用在大雷诺数下表现得较为明显。相比单层膜流实验结果，多层膜流装置有效地改善膜流铺展性，更易实现在表面的大面积铺展。     

水平磁场中液态金属射流的三维数值研究

磁场中液态金属射流的流动行为研究对聚变装置强磁场环境下液态金属第一壁的实现极为重要。对处于横向水平磁场中的液态金属竖直射流进行三维的直接数值模拟，主要对小We数情形射流在不同磁场强度下的破碎行为进行研究。模拟发现，在磁流体动力学效应下，液态金属射流的稳定性得到明显的增强，其破碎长度随着磁场强度的增大而增长。同时，液态金属射流在磁场中破碎后形成的液滴随着磁场强度的增大而逐渐减小。磁场强度越大，洛伦兹力使射流界面扰动波的波长变得越长。对于较大We数情形，磁场对射流的界面扰动影响更为明显。射流界面处的膨胀波及正弦波扰动由三维变为明显的二维状态，射流的稳定性也因此明显增强。     

磁约束核聚变环境中流道插件的热变形分析

对国际热核聚变实验堆的双冷锂铅包层进行流固共轭传热的三维数值模拟,计算两端不同约束下流道插件FCI结构的热变形和热应力分布,分析对流换热系数和热导率对FCI结构热变形和热应力的影响规律.结果表明,若钢壁与外界的对流换热系数增大,则FCI温度降低,导致热变形和热应力减小;高热导率的FCI材料将使得FCI沿厚度方向温度梯度减小,导致结构的热应力减小.     

环形容器内双扩散对流的数值模拟

通过数值模拟,研究了温度和浓度梯度为水平方向、内壁和外壁上的温度和浓度保持定值的竖直环形容器内的双扩散对流结构,其中浮升力之比N=GrSGrT=-1,GrS和GrT分别为溶质格拉晓夫数和热格拉晓夫数.首先对环形容器与矩形容器内的双扩散对流状况进行了比较;然后着重分析了在双扩散对流情况下竖直环形容器内壁面处的热(溶质)边界层以及平均传热(质)率Nu(Sh)随Le数的变化情况.结果表明,溶质边界层的厚度随着Le数的增大逐渐减小,而热边界层随Le数的变化不大;与Sh数一直随Le数的增大呈明显的上升趋势不同,当Le>10后Nu数随Le数的变化趋于平缓.     

含CO2的蒸汽凝结换热特性

基于双边界层理论,建立含CO₂的蒸汽在竖直平板表面凝结换热模型。CO₂的存在极大恶化了凝结换热性能。在CO₂浓度一定时,随着过冷度的增加,热流密度逐渐增大,凝结换热系数逐渐减小,界面温度近乎线性降低;随着CO₂浓度的增大,凝结换热系数迅速降低,界面温度逐渐增大。CO₂的存在使得凝结液膜表面形成一层气膜,随过冷度的增大,液膜厚度逐渐增加,气膜厚度逐渐减小,但气膜厚度要比液膜厚度大一个数量级;随着CO₂浓度的增大,液膜厚度与气膜厚度均在减小,但气膜热阻与液膜热阻的比值逐渐增大,并且在高浓度CO₂情况下,气膜热阻成为主导热阻。     

新型结构硅基微通道中层流换热的实验研究

基于热边界层中断技术,设计了一种新型的带有交错结构的、当量直径为1553μm的微通道,以实现强化换热同时减小流动阻力的目的.以去离子水作为工质,在入口温度、加热功率及质量通量3个控制参数十分相近的工况条件下,在这种含有新型结构微通道的实验段,及含有常规结构微通道的实验段内,进行层流流动与换热的对比实验研究.结果表明,采用新型结构能减小微通道进出口压差,降低摩擦常数,并且能较好地强化换热,降低微通道壁面温度.     

波状粗糙壁模型流动的壁面热流和阻力关联关系的数值研究

微粗糙壁面上高速气流的流动和传热特性是当前关注的问题。以半无穷长正弦波状板作为微粗糙壁面模型，使用OpenFOAM程序，数值研究不同来流参数和不同波幅的正弦波状板流动。结果表明，在波状壁流动中，壁面热流系数C_Q与总阻力系数C_D呈现出直接关联，C_Q/C_D是表征粗糙壁流动与传热特性的关键参数。对于附着型流动，C_Q/C_D仅取决于粗糙度与边界层厚度之比，即等效粗糙度h；而流动产生分离后，C_Q/C_D不再随粗糙度变化，仅与波状板相似变化后的位置参量有关。