控制强磁场中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法技术

本发明专利技术属于一种液态锂平面膜流的磁流体不稳定性的控制方法，包括以下步骤，通过改变膜流的入口流速、敞口槽的底壁宽度及入口膜厚使其流动处于近似平衡流动状态；通过增加敞口槽底壁宽度的方法，降低膜流磁流体不稳定性以通过流速较高的稳定膜流流动；入口膜厚选择对应最大稳定流速的膜厚值，通过减小膜流下游底壁宽度的方法保证液态金属可以完全覆盖固体底壁；利用分段的方法保证偏滤器高热负荷的换热要求，通过多个膜流进出口的方法将整个流动距离分为若干段单独流动，以达到换热中温度限制的要求。其优点是：设计简单、工程造价低且容易实现，热负荷处理能力大大提高。

【技术实现步骤摘要】
控制强磁场中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法
本专利技术属于一种液态膜流流动的控制方法，具体涉及一种聚变堆高热负荷部件用液态锂平面膜流的磁流体不稳定性的控制方法。
技术介绍
目前受控核聚变仍然面临发展合适的面对等离子体材料这一巨大技术挑战，至今研究人员还没有找到一种固体材料能够同时承受聚变堆极高的热流冲击及非常大的中子辐照损伤。因此流动的液态金属锂被提出作为聚变堆面对等离子体材料，用作聚变堆高热负荷部件(特别是偏滤器)的表面来承受极高的热流冲击及减少中子辐照损伤。已有的研究结果表明固体高热负荷材料在稳态情况下最高只能承受10MW/m2的表面热流冲击，而液态自由表面最高可承受50MW/m2的表面热负荷；同时液态锂是很好的中子慢化和增殖剂，可以有效降低聚变中子对固体结构材料的辐照损伤；通过流动液态锂的实时在线循环更新，可以避免出现类似固体材料的腐蚀和使用寿命问题；另外通过液态锂的循环更新还可以有效吸附和带走等离子体中的杂质粒子，实现低再循环运行模式，获得高约束等离子体放电，对实现等离子体的稳态运行有很大的帮助。但是对磁约束聚变堆，液态锂偏滤器的实现还有许多技术难题需要解决。首先需要解决的问题是如何在聚变堆强磁场的环境下建立能够完整覆盖固体底壁且稳定、厚度均匀的膜流流动。磁约束聚变堆中磁场强度约为2T至7T，表征洛伦兹力与粘滞力比值的无量纲哈德曼数通常大于103，洛伦兹力对膜流流动的影响非常大。通常洛伦兹力是阻碍膜流向前流动的，因此会发生膜流流动过程中的磁流体不稳定性，通常表现在膜流流动受阻而堆积变厚甚至流动阻滞、膜流被推向槽的一侧而不能完全覆盖底壁甚至发展为溪状流、液态金属表面不稳定性引起的液滴溅射等，所有上述现象都已经被实验证实，但目前为止研究人员还没有对其磁流体不稳定性做深入而系统的研究并提出一种有效控制聚变堆强磁场环境下膜流磁流体不稳定性的方法。已有研究结果表明为了控制液态锂的蒸发量而不对等离子体的运行造成影响，液态锂温度需要控制在450摄氏度以下，而在聚变堆中液态锂需要承受非常高的表面热负荷，这就需要比较高的流速来满足其换热要求，但是洛伦兹力是与流速成正比的，流速越大，洛伦兹力对膜流的流动阻碍越大而产生磁流体不稳定性，聚变堆的强磁场环境限制了其能够达到的最大稳定流速。因此需要设计一种既能满足聚变堆高热负荷换热要求又能稳定均匀流动的液态锂膜流系统，为液态偏滤器的实现提供技术和理论支持。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在均匀外加强磁场或梯度强磁场环境下满足聚变堆高热负荷换热要求的膜厚基本均匀、流动稳定且能完整覆盖底壁的平面膜流系统，给出控制其磁流体不稳定性的有效方法。本专利技术是这样实现的，控制强磁场环境中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法，包括以下步骤，步骤一：通过改变膜流的入口流速、敞口槽的底壁宽度及入口膜厚使其流动处于近似平衡流动状态，控制其磁流体不稳定性；步骤二：通过增加敞口槽底壁宽度的方法，降低膜流磁流体不稳定性以通过流速较高的稳定膜流流动；入口膜厚选择对应最大稳定流速的膜厚值，以满足聚变堆高热负荷部件的换热要求；步骤三：通过减小膜流下游底壁宽度的方法保证液态金属可以完全覆盖固体底壁；利用分段的方法保证偏滤器高热负荷的换热要求，同时又保证稳定的膜流流动，分段的具体方法为根据换热要求中温度限制计算出膜流能流过的最大距离，通过多个膜流进出口的方法将整个流动距离分为若干段单独流动，以达到换热中温度限制的要求。所述步骤一中通过入口流速及膜厚、敞口槽底壁宽度等参数的组合优化，可使膜流处于近似平衡流动状态，在磁场强度为2T，敞口槽倾角为30度情况下，使膜流处于近似平衡流动状态的入口流速可由底壁宽度、入口膜厚等参数决定，其公式为V0＝0.024-0.223*w-398.22*d0+0.47*w^2-4018.8*d0^2+6130.28*w*d0)/(1-8.78*w+2278.36*d0+17.59*w^2+102701.8*d0^2-2434.8*w*d0)，其中，V0为近似平衡流动状态的入口流速，w为底壁宽度，d0为入口膜厚。所述步骤二中的底壁宽度范围为0.5m～1.2m，入口膜厚范围为2mm～15mm。所述步骤三中的膜流出口底壁宽度范围为0.45m～1.15m，流动距离为0.3m～1m。本专利技术的优点是：简单且易实现，根据给定偏滤器热负荷和磁场强度的情况，通过选取较宽底壁宽度的敞口槽、对应最大稳定流速的入口膜厚以及与上述条件对应的稳定入口流速可以得到既能满足偏滤器高热负荷换热要求又能稳定均匀流动且完整覆盖底壁的平面膜流系统，该液态偏滤器系统相比于传统固态偏滤器设计简单、工程造价低且容易实现，热负荷处理能力大大提高，另外还可以改善等离子体的约束及品质，对实现等离子的稳态运行有极大帮助。附图说明图1是液态锂膜流沿敞口槽流动示意图；图2是沿流动方向变化的梯度磁场示意图；图3是底壁宽度为0.5m情况下不同入口流速对液态锂膜流磁流体流动状态的影响；图4是底壁宽度为1m情况下不同入口流速对液态锂膜流磁流体流动状态的影响；图5是磁场强度为5T时底壁宽度与稳定入口流速之间的关系；图6是不同磁场强度情况下入口膜厚与稳定入口流速之间的关系。具体实施方式：下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步的说明：流动的液态金属锂用于磁约束聚变堆热负荷最高的偏滤器区域，流动沿托卡马克的极向且由高磁场区域流向低磁场区域。如图1所示，液态锂在敞口槽中流动，敞口槽的材料采用低活化铁素体钢或钒合金，由于目前还没有自修复绝缘涂层的技术，因此在槽壁上不使用任何绝缘涂层。敞口槽倾斜放置，高磁场的区域槽位置较高，由重力和动量来驱动液态金属锂在敞口槽中流动。通过如下技术方案来控制液态锂膜流的磁流体不稳定性，得到能够满足偏滤器高热负荷换热要求的流动稳定、膜厚基本均匀且能够完全覆盖底壁的平面膜流系统。步骤一：通过液态磁流体及水力学相关理论建立描述液态金属膜流流动的数学物理模型并发展了相关的程序，通过已有的实验结果验证了该数学物理模型的正确性及程序的精确性。利用该程序并结合膜流磁流体流动的平衡性分析找到控制其平衡流动的规律。步骤二：步骤一中的研究结果表明液态金属膜流在强磁场环境下其流动状态可分为三种：(1)重力驱动占优流动；(2)近似平衡流动；(3)磁阻滞流动。对于外加均匀横向磁场5T，入口膜厚为4mm，底壁宽度为0.5m，敞口槽倾斜角为30度的情况下，由图3可知入口流速为0.83852m/s时，膜流的厚度及流速均不随流动距离的改变而改变，该流动状态为平衡流动状态；而当入口流速在平衡流动入口流速附近时，如入口流速为0.8m/s及0.86m/s时，其流动状态随流动距离的增加改变比较小，该流动状态为近似平衡流动；当入口流速远小于平衡流动的入口流速时，如入口流速为0.2m/s时，重力驱动占优，表现在流速随流动距离的增加而增加；当入口流速远大于平衡流动的入口流速时，如入口流速为5m/s及10m/s情况下，流速随流动距离的增加而急剧变小，当流动距离为0.5m时，其流速几乎为0，发生了膜流几乎不流动的磁阻滞现象。图4结果表明随着底壁宽度的增加，其平衡流动的入口流速增加，如当底壁宽度增加到1m时，其平衡流的入口流速增加到2.113905m/s，且其通过较高入本文档来自技高网...

【技术保护点】
控制强磁场环境中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：通过改变膜流的入口流速、敞口槽的底壁宽度及入口膜厚使其流动处于近似平衡流动状态，控制其磁流体不稳定性；步骤二：通过增加敞口槽底壁宽度的方法，降低膜流磁流体不稳定性以通过流速较高的稳定膜流流动；入口膜厚选择对应最大稳定流速的膜厚值，以满足聚变堆高热负荷部件的换热要求；步骤三：通过减小膜流下游底壁宽度的方法保证液态金属可以完全覆盖固体底壁；利用分段的方法保证偏滤器高热负荷的换热要求，同时又保证稳定的膜流流动，分段的具体方法为根据换热要求中温度限制计算出膜流能流过的最大距离，通过多个膜流进出口的方法将整个流动距离分为若干段单独流动，以达到换热中温度限制的要求。

【技术特征摘要】
1.控制强磁场环境中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：通过改变膜流的入口流速、敞口槽的底壁宽度及入口膜厚使其流动处于近似平衡流动状态，控制其磁流体不稳定性；步骤二：通过增加敞口槽底壁宽度的方法，降低膜流磁流体不稳定性以通过流速较高的稳定膜流流动；入口膜厚选择对应最大稳定流速的膜厚值，以满足聚变堆高热负荷部件的换热要求；步骤三：通过减小膜流下游底壁宽度的方法保证液态金属可以完全覆盖固体底壁；利用分段的方法保证偏滤器高热负荷的换热要求，同时又保证稳定的膜流流动，分段的具体方法为根据换热要求中温度限制计算出膜流能流过的最大距离，通过多个膜流进出口的方法将整个流动距离分为若干段单独流动，以达到换热中温度限制的要求。2.如权利要求1所述的控制强磁场环境中液态金属平面膜流磁流体不稳定性的方法，其特征在于：所述步骤一中通过入口流速及膜厚、敞口槽底壁宽度组合优化，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀杰，潘传杰，许增裕，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：四川;51