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边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究

黄艳 孙继忠 桑超峰 胡万鹏 王德真

边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究

黄艳, 孙继忠, 桑超峰, 胡万鹏, 王德真
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  • 钨材料在高瞬时热流作用下的熔化、流动是国际热核聚变实验堆面壁材料最突出的问题.本文将热传导方程与Navier-Stokes方程结合,建立了二维流体动力学模型,研究在边界局域模(ELM)强热流轰击下,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等作用下的流动,以及偏滤器靶板的侵蚀和形貌演化.结果表明,在ELM过程中,熔化层中的液体不断地向边缘区域流动,在打击点区域形成一个熔池,在熔化层的边缘区域形成类似山峰结构的凸起,加重了钨偏滤器靶板的侵蚀.在空间分布为高斯形状入射能流的作用下,钨熔化层两侧的山峰结构是对称的;当能流密度小于3000 MWm-2时,表面张力对熔化层的流动起主要作用.本文在模型的数值求解中,采用交错网格的方法进行离散,克服了液体表面追踪的算法难点,保证了钨偏滤器靶板侵蚀程度计算的准确性.
      通信作者: 孙继忠, jsun@dlut.edu.cn;wangdez@dlut.edu.cn ; 王德真, jsun@dlut.edu.cn;wangdez@dlut.edu.cn
    • 基金项目: 国家磁约束聚变科学项目(批准号:2013GB109001,2013GB107003)、国家自然科学基金(批准号:11275042,11575039)和辽宁省基本科研项目(批准号:2016J027)资助的课题.
    [1]

    Xu W, Wan B N, Xie J K 2003 Acta Phys. Sin. 52 1970 (in Chinese)[徐伟, 万宝年, 谢纪康2003物理学报52 1970]

    [2]

    Coenen J W, Arnoux G, Bazylev B, Matthews G F, Autricque A, Balboa I, Clever M, Dejarnac R, Coffey I, Corre Y, Devaux S, Frassinetti L, Gauthier E, Horacek J, Jachmich S, Komm M, Knaup M, Krieger K, Marsen S, Meigs A, Mertens P, Pitts R A, Puetterich T, Rack M, Stamp M, Sergienko G, Tamain P, Thompson V, JET-EFDA Contributors 2015 Nucl. Fusion 55 023010

    [3]

    Sergienko G, Bazylev B, Huber A, Kreter A, Litnovsky A, Rubel M, Philipps V, Pospieszczyk A, Mertens P, Samm U, Schweer B, Schmitz O, Tokar M, The TEXTOR Team 2007 J. Nucl. Mater. 363 96

    [4]

    Sergienko G, Bazylev B, Hirai T 2007 Phy. Scr. T128 81

    [5]

    Coenen J W, Arnoux G, Bazylev B, Matthews G F, Jachmich S, Balboa I, Clever M, Dejarnac R, Coffey I, Corre Y, Devaux S, Frassinetti L, Gauthier E, Horacek J, Knaup M, Komm M, Krieger K, Marsen S, Meigs A, Mertens Ph, Pitts R A, Puetterich T, Rack M, Stamp M, Sergienko G, Tamain P, Thompson V, JET-EFDA Contributors 2015 J. Nucl. Mater. 463 78

    [6]

    Federici G, Andrew P, Barabaschi P, Brooks J, Doerner R, Geier A, Herrmann A, Janeschitz G, Krieger K, Kukushkin A, Loarte A, Neu R, Saibene G, Shimada M, Strohmayer G, Sugihara M 2003 J. Nucl. Mater. 313 11

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    Wurz H, Pestchanyi S, Bazylev B, Landman I, Kappler F 2001 J. Nucl. Mater. 290 1138

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    Elsholz F, Scholl E, Scharfenorth C, Seewald G, Eichler H J, Rosenfeld A 2005 J. Appl. Phys. 98 103516

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    Elsholz F, Scholl E, Rosenfeld A 2004 Appl. Phys. Lett. 84 4167

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-22
  • 修回日期:  2016-10-24
  • 刊出日期:  2017-02-05

边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究

    基金项目: 

    国家磁约束聚变科学项目(批准号:2013GB109001,2013GB107003)、国家自然科学基金(批准号:11275042,11575039)和辽宁省基本科研项目(批准号:2016J027)资助的课题.

摘要: 钨材料在高瞬时热流作用下的熔化、流动是国际热核聚变实验堆面壁材料最突出的问题.本文将热传导方程与Navier-Stokes方程结合,建立了二维流体动力学模型,研究在边界局域模(ELM)强热流轰击下,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等作用下的流动,以及偏滤器靶板的侵蚀和形貌演化.结果表明,在ELM过程中,熔化层中的液体不断地向边缘区域流动,在打击点区域形成一个熔池,在熔化层的边缘区域形成类似山峰结构的凸起,加重了钨偏滤器靶板的侵蚀.在空间分布为高斯形状入射能流的作用下,钨熔化层两侧的山峰结构是对称的;当能流密度小于3000 MWm-2时,表面张力对熔化层的流动起主要作用.本文在模型的数值求解中,采用交错网格的方法进行离散,克服了液体表面追踪的算法难点,保证了钨偏滤器靶板侵蚀程度计算的准确性.

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