敞口槽的材料采用低活化鐵素體鋼或釩合金。于目前還沒有自修復(fù)絕緣涂層的技術(shù)，因此在槽壁上不使用任何絕緣涂層。通過如下技術(shù)方案得到可以適應(yīng)任意梯度磁場變化的具有流動穩(wěn)定性的曲面膜流系統(tǒng):
[0032]步驟一:通過液態(tài)金屬膜流磁流體流動的平衡性分析，找到膜流穩(wěn)定流動狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌鰪姸扰c傾斜角度之間的關(guān)系。通過改變當(dāng)?shù)啬ち鞯膬A斜角度來適應(yīng)磁場強度的變化，使膜流處于穩(wěn)定流動狀態(tài)。所謂穩(wěn)定流動是指膜流的流速和膜厚均不隨流動距離的增加而變化。
[0033]步驟二:由步驟一可知，由于膜流的傾斜角度是隨磁場強度的變化而變化的，因此膜流是沿曲面底壁流動的。若曲面底壁的曲率變化較大，會帶來如何才能保證液態(tài)金屬沿曲率變化較大的底壁流動，可通過距底壁一定距離處固定金屬網(wǎng)的方法保證膜流沿曲率變化的底壁流動，同時還可防止液態(tài)金屬的濺射。
[0034]步驟三:根據(jù)換熱需要的流速大小，設(shè)計和調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)孔的大小及其距底壁的距離得到金屬網(wǎng)上面穩(wěn)定的液態(tài)金屬膜流流動。同時金屬網(wǎng)孔的抽吸作用保證了液態(tài)膜流可以覆蓋整個金屬網(wǎng)的表面。
[0035](I)液態(tài)金屬鋰在底壁寬度Im的敞口槽中流動，其入口膜厚及流速分別為4.8mm及2.4785m/s，在該情況下膜流處于穩(wěn)定流動狀態(tài)時膜流傾斜角度與當(dāng)?shù)卮艌鰪姸鹊年P(guān)系如圖1所示，結(jié)果表明磁場強度越大其傾斜角度theta越小，其中theta為底壁的切向與重力方向的夾角，如圖3中所示。上述結(jié)果表明磁場強度增加洛倫茲力的阻礙作用增加，因此需要增加重力沿流動方向的分力以使膜流處于平衡流動狀態(tài)，theta變小即增加重力沿流動方向的分力。
[0036](2)根據(jù)圖1中的關(guān)系曲線可以得到任意梯度磁場下，應(yīng)該如何調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)啬ち鞯膬A斜角度以使膜流處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，也就是應(yīng)該采用怎樣的曲面底壁形狀來適應(yīng)梯度磁場的變化以控制膜流的磁流體不穩(wěn)定性。對于給定變化率的隨流動距離減小的梯度磁場分布，其傾斜角度隨流動距離的變化如圖2所示。圖3給出了對于流動距離為0.5m磁場強度由5T線性降低為OT的液態(tài)鋰膜流流動，應(yīng)該采用向下凹的曲面底壁形狀來適應(yīng)該梯度磁場變化，如圖3所示；為了保證液態(tài)金屬鋰沿曲面底壁流動，在距曲面底壁一定距離處固定金屬網(wǎng)，如圖3中紅色線所示，假設(shè)入口膜厚為Htl,則可以通過調(diào)節(jié)不同流動距離處金屬網(wǎng)與底壁的距離Hs及該處金屬網(wǎng)孔的大小得到在金屬網(wǎng)上面穩(wěn)定的膜流流動。圖4給出了對于流動距離為0.5m磁場強度由OT線性增加為5T的液態(tài)鋰膜流流動，可采用向上凸的曲面底壁形狀及金屬網(wǎng)來控制和調(diào)節(jié)其流動得到穩(wěn)定流動的曲面膜流系統(tǒng)。
[0037](3)為了驗證該方法的有效性，申請人在核工業(yè)西南物理研究院的新液態(tài)金屬回路上面開展了相關(guān)的實驗研究。圖5給出了帶金屬網(wǎng)的曲面膜流實驗段，該膜流在梯度磁場中流動，在距曲面底壁一定距離處固定了金屬網(wǎng)，以測試其控制膜流磁流體流動的有效性。通過相關(guān)的理論計算預(yù)測對應(yīng)實驗條件下應(yīng)該如何調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)與曲面底壁的距離以得到穩(wěn)定的液態(tài)金屬膜流流動，以指導(dǎo)實驗段的設(shè)計，計算結(jié)果如圖6所示。圖7給出了相關(guān)的實驗結(jié)果，結(jié)果表明由于實驗中磁場強度最大僅為1.9T，而且液態(tài)金屬為鎵銦錫合金，其沿流動方向重力的分力比鋰大的多，故沒有發(fā)生膜流堆積等嚴重的磁流體不穩(wěn)定性。但是如果沒有金屬網(wǎng)的控制，出現(xiàn)了液態(tài)金屬不能夠緊貼曲面底壁流動及不能夠完全覆蓋底壁的現(xiàn)象，如圖7中左面三幅圖所示，但是加上金屬網(wǎng)后，可以使液態(tài)金屬緊貼曲面底壁流動而且保證液態(tài)金屬可以完全覆蓋底壁，同時在金屬網(wǎng)上形成了穩(wěn)定的金屬膜流，如圖7中最右面圖所示，金屬網(wǎng)上面液態(tài)金屬膜流的表面比較光滑，而且流動穩(wěn)定。
【主權(quán)項】
1.一種建立聚變堆偏濾器流動穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟一:找到液態(tài)金屬膜流穩(wěn)定流動狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌鰪姸扰c傾斜角度的關(guān)系，通過改變膜流不同流動距離處當(dāng)?shù)貎A斜角度適應(yīng)梯度磁場的變化，控制由梯度強磁場引起的磁流體不穩(wěn)定性，即采用曲面底壁的形狀來適應(yīng)梯度強磁場的變化； 步驟二:利用在曲面底壁上方固定金屬網(wǎng)的方法，保證液態(tài)金屬沿曲率變化較大的曲面底壁流動； 步驟三:通過調(diào)節(jié)不同流動距離處金屬網(wǎng)孔的大小及其距曲面底壁的距離得到金屬網(wǎng)上穩(wěn)定的膜流流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立聚變堆偏濾器流動穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，其特征在于:所述步驟一中的曲面底壁曲率是連續(xù)變化的，且曲率的變化由梯度磁場的變化決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立聚變堆偏濾器流動穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，其特征在于:所述步驟二中的金屬網(wǎng)距曲面底壁的距離為2mm?15mm，金屬網(wǎng)可采用單層或多層金屬網(wǎng)疊加，金屬網(wǎng)的厚度為0.1mm?1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立聚變堆偏濾器流動穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，其特征在于:所述步驟三中的金屬網(wǎng)上方的膜流是穩(wěn)定均勻流動的，其膜厚為Imm?5mm。
【專利摘要】本發(fā)明屬于液態(tài)膜流流動的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種建立聚變堆偏濾器流動穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法。該方法包括以下步驟：步驟一：找到液態(tài)金屬膜流穩(wěn)定流動狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌鰪姸扰c傾斜角度的關(guān)系，通過改變膜流不同流動距離處當(dāng)?shù)貎A斜角度適應(yīng)梯度磁場的變化，控制由梯度強磁場引起的磁流體不穩(wěn)定性，即采用曲面底壁的形狀來適應(yīng)梯度強磁場的變化；步驟二：利用在曲面底壁上方固定金屬網(wǎng)的方法，保證液態(tài)金屬沿曲率變化較大的曲面底壁流動；步驟三：通過調(diào)節(jié)不同流動距離處金屬網(wǎng)孔的大小及其距曲面底壁的距離得到金屬網(wǎng)上穩(wěn)定的膜流流動。本發(fā)明解決了磁場強度變化較大的梯度強磁場環(huán)境下液態(tài)金屬膜流的磁流體不穩(wěn)定性問題。
【IPC分類】G21B1-13, B32B15-00, B32B33-00
【公開號】CN104751901
【申請?zhí)枴緾N201310752684
【發(fā)明人】張秀杰, 潘傳杰, 許增裕
【申請人】核工業(yè)西南物理研究院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月31日