液态无窗靶流动的汇集与参数影响
论文作者:草根论文网 论文来源:www.lw360.net 发布时间:2016年10月24日

虽然靶设计历经几个阶段,但是回流区的基本形状和对它的研究思路却没有改变。由于回流区对于换热效果起着重要的不利作用,因此在之后的研究当中逐步确立了以减小回流区为研究的重要工作方向。这些尝试包括改变流动角度,使用旋转,抽出流体工质、在真空下使用离壁靶型等方法。除了尽量减小回流区的方法以外,还使用环形束流的方法避开回流区。在局部过热的问题上,对于有窗靶,可以通过改变束窗和流道的形状实现这一目的,但这一调整是有限度的,必须在满足束窗受到流体力与沉积热耦合作用下仍能保持稳定可靠的前提下进行。另外由于流道形态固定,通过增加流量也可较为简易的增加局部增强换热作用。对于无窗靶,问题则复杂的多,由于液态金属在真空环境下形成耦合界面,因此这一界面不能像有窗靶一样采取稳定的约束方式,随着边界条件的改变,界面的形状也随之发生改变。通过增加流量流速反而会增加汇流过程中的不稳定性。汇流的过程很大程度上是环形的流体在流动过程中损失径向速度的过程,由于这一速度动压的损失无法耗散,在这一区域转化为了静压。使得流体在这一压力的作用下在汇流点上方形成了回流区的结构。

由于 Detached flow 在回流区的形成方面与之前没有第二界面的靶段所形成的回流区结构在结构外观上存在明显的差异,因此无论是实验还是数值模拟都应该针对具体情况进行。如果采用常压封闭式靶区的水模拟回路,通过降低出口压强可以在一定程度上降低液面改变回流区的大小,然而这一作用在大气环境下,当出口压强降低到一定程度时,不会产生实际靶当中的空化情况,反而会使得模拟束流管道吸入气体,这一过程参见图 5.5。利用 Detached flow 在真空环境下设计的 HLM 流也同样会由于汇流作用产生回流区但其结构是不相同的,如图 5.8中轴向的速度值在 0.25m 处出现了一个大于 0 的峰值,意味着在这一位置存在液体的向上流动,而原因同样来自汇流过程所产生的压力。

blob.png

针对设计的改进正是通过流道几何构型和运行参数的调整实现减小回流区的目的。例如在 MYRRHA 的项目设计中,汇流区域的流动角度一直呈现减小的趋势。从最早的 33 度降低到后来的 8 度。一般认为轴向速度在汇流过程当中转化为了压力,支撑液面高度。因此减小锥形端角度能够减小轴向速度分量,起到降低回流区的作用。

目前多数已经公开发表的研究集中在界面的形貌研究中,但对于工程所需的参数定量问题还有不足,在项目的参与过程当中,针对靶段形貌问题和运行中边界条件参数的影响机制等需要解决的问题,开展了相关工作,这些工作不仅对无窗靶运行所需条件限制的理解形成了有益的帮助,在这一基础上,对于新型靶的设计和建设经验的积累也提供了重要的对比参考资料。

针对不同的边界条件,模拟扫描了各种条件对靶区流动形态和和汇流压力的影响:

blob.png

blob.png

需要注意,随着流道逐渐变宽,受到 5.3 节中所述机理的原因,汇流位置下降,导致不再完全是自由落体状态下的环形流动汇集,从而汇流压力反常升高。同时,随着喷口的变宽,受到水力学作用的影响,上部环形流道中,出现了相变,正是由于流动阻力不足,导致液流加速产生局部空化导致的。

2.喷口角度的影响。

当喷口角度在发生变化时,相应的,靶区的流动形态也会随着发生变化,其相分布剖面图如下图所示。

blob.png

blob.png

 

3.流动速度与出口压强的联合作用

前期的研究中认为,Detached flow 由于在下方产生了空腔和第二个自由液面,从而导致下游的出口压力波动,能够被第二液面通过自身的变化缓冲,而不影响主耦合界面,但这一作用毕竟是有限的。在研究中发现,当第二液面上升至主液面位置以上时,主液面的形态就会发生改变(如图 5.26)。就此时出口的水力静压变化而言,略大于液位上升产生的压强,根据流速不同,这一压强在数十千帕的范围内变动。

blob.png

blob.png

总体来说汇流压力与流速的关系呈现的是二次关系,拟合系数与汇流角度正弦平方接近,说明压强基本由径向流速的动压转变而来,如下图所示:

blob.png

这就决定了在这一原理的 HLM 靶中,汇流问题导致的回流现象是较为难以通过单纯通过参数调整抑制消除的。

在其他团队的研究方面,刘捷团队根据数值模拟结果给出了通过动压静压压力转换计算得出的回流区高度计算方法。而上海交大和 KIT 团队则在汇流过程的形貌方面做出了重要的实验研究结果。KIT 团队采用实验的方法对不同流动速度下对水从靶结构向开放空间流动形成类似 Detached flow 的过程做出了定量的研究。给出了在流量变化中的耦合界面形貌变化。这一变化趋势与本节中的模拟结果以及上节中环形液流在不受壁面约束时所形成的界面的变化趋势是一致的。

相比于 KIT 团队的装置,上海交通大学的研究装置没有采用 V0.10 靶结构并做出了一定的简化。由于装置采用了较长的锥形壁面限制流动,与 KIT 不同,当出口空间压强较大或是系统流量较大时,这一装置的汇流位置位于锥形限制段以内,而非像实际装置中在开放的真空腔内发生汇流作用。因此在他们的部分结果中形成的回流区域呈现出类似早期研究装置大回流区域的特征,并且与 KIT 团队实验结果的变化趋势不同。这一特点在为了使用 PTV 方法而将下方开放空间内充满水工质时最为显著。在这一工作中还研究了出口开放空间中气体加强对界面的影响,发现较高的出口压强会导致液面的升高从而产生较大的回流区域。


相关推荐
联系我们

代写咨询
 362716231

发表咨询
 958663267


咨询电话

18030199209


查稿电话

18060958908


扫码加微信

weixin.png


支付宝交易

ali.jpg

  • 在线客服
  • 认准本站客服
  • 代写咨询
    362716231
  • 发表咨询
    958663267
  • 咨询电话
  • 18030199209
  • 查稿电话
  • 18060958908
  • 扫描加微信
  • 支付宝交易
  • 返回顶部
    在线客服