液态锂铅准静态流动换热数值模拟
唐婵，王红艳，裘浔隽
（南京工程学院能源与动力工程学院，江苏南京211167）
摘要：研究聚变堆单冷液态锂铅实验包层模块（SLL）中液态金属磁流体动力学（MHD）效应，在磁场环 境下对处于缓慢准静态流动的不同流速的液态金属LiPb流动和传热的影响进行数值模报和分析，为包层热工分析提供依据，研究表明：液态金属处于准静志缓慢流动时，流速的增加，流道换热会改养：流速增加到一定程度后，流道温度整体都下降：流速的增加对感应磁场及感应电流的整体分布影响不是特别 明量.
美词：液态金属：流动换热：磁流体动力学
中图分类号：TL64 文献标识码：A
文章编号：0258-0918（2013)03-0265-04
TheNumericalSimulation ofthe Quasi-staticFlow and HeatTransferfor theLiquid Lithium-Lead
TANG Chan WANG Hong-yan QIU Xun-jun
Abstract; The magnetohydrodynamics (MHD) effects of liquid metal LiPb flow in thestudied. The liquid metal flows slowly in a quasi-statie way in the magnetic field. The single-coolant lithium lead-test blanket module (SLL-TBM) system for ITER areflow and heat transfer effects of different inlet velocity of the liquid metal are simulatedand analyzed. The results can provide references for the thermal analysis and design of theblanket. The results show that as the velocity increases the heat transfer effectivenessincreases and the temperature decreases. There is a little influence on the distribution of the induction magnetic field and induction current when changing the velocity.
Key words; liquid metal; flow and heat transfer; MHD
国际热核聚变实验堆ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）的中国
的设计方案中，用氮气单独冷却的液态理铅实验包层模块SLL（Single-coolant LithiumLead）中，液态金属LiPb包层具有复杂儿何适 应性、高氯增殖比以及在线取氟等诸多优势面作为首要研究和设计方案，单冷液态锂铅包层SLL指主要使用氨气冷却，准静态流动的LiPb的功能主要用于提氧，具有很好的工程可行性，但是导电的液态金属在聚变强磁场环境下 流动可能引起的附加磁流体动力学MHD（Magnetohydrodynamics）效应，目前液态金属的流动和传热的影响是包层研究的关键问题.在磁场环境及壁面高的热流密度情况下，研究 主要用于提氧的缓慢流动的液态金属LiPb还有附带可能参与的换热，比较不同进口流速对流道内LiPb流动换热的影响.
p为密度，k为导热系数，T为温度，A，为各组分的给，，为各组分的扩散通量.方程右边的前三项分别描述了热传导、组分扩散和黏性耗散 带来的能量输运，S为体积热源项.
2计算模型
如图1所示，液态LiPb从模块的上部由同心圆母管的环状外管流进，然后经供给联箱的 分流作用，分别进人三个靠近第一壁（FW）的极向矩形管道（称L1流道）向下流动，在模块的底部进行180度转弯改变方向，同时分为二流动，两个支管在模块的上部汇在一起经收集 个支管（简称L2和L3流道）沿极向方向向上联箱，从同心母管的内管流出.考虑实际模型在环向是对称的，取在环向方向一边为对称边界.对液态LiPb包层模块模型大部分网 格采用贴体的六面体结构网格，局部有弧度弯曲部分用混合体网格，网格总数约60万.
1数学模型
从流体动力学和电磁学方程出发，根据流场和电磁场相互作用原理，得到磁感应方程和感应电流密度方程，使磁流体的控制方程离散为标准的输运方程.采用大型商用计算流体动力学 (CFD)软件FLUENT和自主开发的MHD用户子程序，模拟计算了液态LiPb磁流体在SLL全模型内的流动，该程序对模拟磁场情况下流动换热已有了很多应用，重点考察和分析了 局部的流动特点、传热影响，流动的质量和动量方程及磁感应、感应电流密度方程如下：
(1)
（）v=-p（V)J×B（2)
(4)
其中B为感应磁场，V为速度，J为感应电的电导率. 流密度，p为压力为流体的磁导率，为流体
根据Fluent定义的能量方程：
Fig- 1 Calculstion modei end grid 图1计算模型及网格示意图schematic diagram
v（kvT->h（V）)S（5)
第一壁是面向高温等离子体的重要部件，受表面热流和高结构核热作用，故第一壁的热流密度取0.3MW/m².假定管道壁是热导和电导的，边界条件使用速度进口，进口温度为 450℃，出口为压力出口.本设计中研究的模型是主要使用氮气冷却液态锂铅包层，准静态流动的LiPb主要用于提氧理论上不承担热负荷的冷却，故流速很低，进口速度分别取0.001m/s， 0.002m/s，0.003m/s三个流速.但是在流动过程中，低流速的液态LiPb对流道的换热和边界层的分布必然造成影响，这也是本文的研究目的.进一步探讨主要用于提氰的LiPb在流道中还可能出现的对流换热影响，给实际模型的设计提供 参考，磁场强度设为2T.雷诺数Re在737~2210之间，相互作用参数N在11170~33510之间，哈德曼数Ha为4970，对于在此范围内的高哈德曼数的验证性研究见论文.
图2不同进口速度（0.001.0.002和Fig 2 Comparison of temuperature field 0.003m/s）的湿度场分布的比较distribution at different inlet veloecity(0. 001 0. 002 snd 0 003 m/s)
温度较高.图3（a）显示的是L1流道进口段出现局部高温处的洛伦磁力的分布图，环向面的 边界层有偏离环向面的洛伦磁力，与环向面交接的流道外壁面附近的流体有指向外壁面的洛伦磁力，使得环向面附近的流体偏离环向面流动，部分流体挤向外壁面和环向面交接处，增加了外壁面附近边界层热阻，该处大量热量不能 被带走，从而产生了局部高温.图3（b）为L1流道沿极向向下流动时出现局部高温处的洛伦磁力的分布图，与（a）图有类似的情况，洛伦磁力把靠近环向面附近流体带走，挤向靠近外壁 面附近，阻碍该处的流动，增加了局部的热阻，导致局部高温，后续研究可以进一步讨论洛伦磁力的影响因素从而使得温度的分布更为均匀，避免高温热点的出现.
3结果分析
包层模块内液态金属处于准静态层流，研究了流速分别为0.001m/s，0.002m/s和0.003m/s情况下的对流换热的差异及影响. 从图2可以看出，流速的增加，通道内的换热有了改善，通道内平均温度有所下降，流速从0.001m/s增加到0.002m/s时，流体入口及转角段的温度明显下降，但是L1流道的极向 通道部分温度反而有所提高，流速的增加使得流动换热在进口及转角处会突然有所改善，由于这部分换热较好，流体又处于缓慢流动，前面吸收的热量没有及时带走，累积到了后段使得 转角以后换热反而更差.从L2和L3流道内的流场分析结果表明，流速的增加使得这两个流道的换热得到了改善，温度有所下降，尤其是L3流道比较明显，流速增加到0.003m/s，整个流道的温度整体都出现大幅度下降，换热得 到了很大的改善.因为流体是处在缓慢的准静态层流状态，流体吸收的热量不会很快被流体带走，故随着流量增加的过程中，流道换热会改普，但是局部还可能出现不良换热，当流量增加 一定程度后，局部的不良效果也会得到改善，使得流道温度整体都下降，
图3L1流道局部洛伦雁力分布图 Fig 3 Local Loren magneticprofile in the L1 rusner(a) Y-Z 面(b) X-Y面
L1流道受第一壁的高热流影响最大，局部
故温度场中出现的局部高温和洛伦磁力有关.图4、图5分别是产生的感应磁场和感应电流的分布图.感应磁场和感应电流相对大的地方洛伦磁力相对也较大.
0.003m/s）环向面产生的感应磁场比较 图4不同进口流速（0.001.0.002和
Fig. 4 Comparison of the induced magnetiefield on the toroidal surface at different inlet velocity (0.001 0.002 and 0.003 m/s)
图5不网进口流速（0.001、0.002和
0.003m/s）环向面产生的感应电流密度比较Fig. 5Coparison of the induced eurrent densityon the toroidal surfnce at different inlet velocity (0. 001 0. 002 and 0. 003 m/s)
0.001m/s、0.002m/s和0.003m/s下产生的 由图4、图5可以看出，在流速分别为感应磁场分布大体相似，进口流度的改变对感应磁场影响不大.相比L2、L3流道，L1流道内温度较高，速度变化较剧烈，故流道内的磁场
4结果分析
参考文献：
变化区域明显.感应磁场较大的地方感应电流密度相对也较大
结合图2温度场，L1流道局部高温处对应该处较大的感应电流密度，局部较大的感应电流会产生较大的洛伦磁力，从面导致L1流道 出现的局部高温，综上分析，进口流速的增加对感应磁场及感应电流的整体分布影响不是特别明显，L1流道的局部高温与对应的感应磁场和感应电流密度有关，
液态金属处于准静态缓慢流动时，流速的增加，流道换热会改善，但是局部还可能出现不 良换热，当流速增加一定程度后，局部的不良换热也会得到改善，使得流道温度整体都下降.进口流速的增加对感应磁场及感应电流的整体分布影响不是特别明显.
关，可以进一步研究洛伦磁力的影响因素从面 温度场中出现的局部高温和洛伦磁力有使得温度的分布更为均匀，避免高温热点的出现.
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