Transcript 偏滤器相关的数值计算
ASIPP 偏滤器相关的数值计算 工作情况汇报 汇报人：李 磊 等离子体所四室 ASIPP 提 纲 岗位职责 工作内容和完成任务情况 工作中不足之处及下一步打算 ASIPP 岗位职责 工作部门：四室，姚老师负责的偏滤器组 岗 位：聚变堆结构与热分析 主要职责： ①对TOKAMAK相关的结构进行力学分析。 ②利用Workbench\ANSYS对TOKAMAK相关的结构进行静力 学分析、热分析、耦合分析。 为相关的设计提供参考和支持。 ASIPP 近一年来我的学习和工作内容 学习阶段： ①学习相关的专业知识和技能。例如阅读核聚变、托卡马克、机械设计等方面 的书籍。 ②学习CATIA，绘制过托卡马克的真空室、真空室支撑架、偏滤器靶板等模型。 ③学习Workbench(静力学、热力学)。 ④学习了ANSYS中的涡流和电磁力计算功能，分析过等离子体和极向线圈电流 变化时在偏滤器上产生的涡流和电磁力。 ⑤学习了DINA程序，参加了所里和585的两次培训，掌握了该程序的使用，能 够使用该程序模拟等离子体破裂演化过程等物理问题。 ASIPP 工作阶段（主要做了一些数值计算工作） EAST先进钨偏滤器内外靶板的热分析 分析了内、外靶板在不同的水流速度、不同的水冷管道半径和管道间距情 况下的温度分布，共计算了十多个算例，对分析数据进行正交理论分析和优化。 L L1 L2 H1 R 外靶板水冷结构 内靶板水冷结构 ASIPP ASIPP ASIPP ASIPP ASIPP ASIPP ASIPP ASIPP 最终优化结果： 外靶板R = 6mm or 7mm, L1 = 19mm ，L3 = 20mm 内靶板R=7mm，L1=19mm，L=108mm 靶板最大温度降低十几度，最大热应力值降低19% to 24%。 ASIPP EAST偏滤器靶板采用不同材料、不同直径的销条件下， 受到的Halo电磁力时的应力响应计算（Halo电流取40%等离子体电流） box上环场电 磁力7350N 材料为: 316LN不锈钢 box上纵场电 磁力175N 销直径为: 5、6、7mm 每条monoblock 环场电磁力 1386N, 纵场电磁力30N 内靶板应力分析 ASIPP 5mm销最大应力达176MPa 剪切应接近100MPa 分析结论： ①整个内靶板盒体与monoblock部分的强度没有问题 ②销应力较大，材料改为强度更高的inconel材料为好 ③建议直径7mm ASIPP 不同销尺寸的Monoblock支撑座焊缝强度分析 销直径采用5mm和7mm,316LN不锈钢 ASIPP 结论： ①焊缝处应力较大（60MPa左右），建议提高焊接质量。 ②销直径为5mm时，剪切应力较大（58.237MPa），建议采用7mm，最好 采用高强度钢。 ASIPP RH测试平台静力学分析 真空室内加500KG重量，每个窗口加1000Kg重量 计算结果： 1.最大变形0.24498mm，支撑没有出现水平方向的位移； 2.最大应力出现在最宽的窗口下的支撑处，约为26.8MPa； 3.支撑强度能够满足要求； 4.在本算例施加的载荷情况下，支撑底部不需要固定，放在地面上不会发生水平位移 。 ASIPP EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析 峰值热流密度分别为3MW/m2、4MW/m2、5MW/m2 和 10MW/m2，不考虑水冷作用 ASIPP 温度分布（10MW/m2） ASIPP 整个靶板最大温度随时间变化曲线 ASIPP 铜最大温度随时间变化曲线 ASIPP 表1 不同峰值热流密度条件下铜达到特定温度的时间 Peak flux 10MW/m2 5MW/m2 4MW/m2 3MW/m2 900℃ 9.75s 27.8s 37.8s 47.8s 1000℃ 12.1s 32.79s 44.3s 55.3s 1080℃（熔点） 14.07s 37.02s 49.5s >60s Temperature 备注 60s时最大温度为 1062.6℃ ASIPP 结论： ①靶板的最高温度随时间近似程指数增长趋势，随时间增 加靶板的温差逐渐增大。 ②缓冲层铜最先达到自身熔点，其次为铜铬锆，最后为钨。 ③缓冲层铜从初始状态自身熔点（1080℃）的时间分别为 10MW/m2: 14.07s 5MW/m2 : 37.02s 4MW/m2 : 49.5s 3MW/m2 : >60s ASIPP 完成任务情况 提交的报告： 1、偏滤器内外靶板热分析报告 2、Mono block 结构有限元分析 3、Mono block支撑座焊缝强度分析 4、EAST钨偏滤器内靶板应力分析 5、RH测试平台静力学分析 6、EAST窗口在静载重下应力分析结果 7、EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析（10MW/m2） 8、EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析（3~5MW/m2） 9、Monoblock 氦冷热分析 工作以来发表的学术论文： 1、Optimization of divertor plate water-cooled structure in EAST based on orthogonal theory, Plasma Science and Technology (第一作者，已投稿) 2、The temperature control mechanism of a breeding blanket module for fusion reactor . Journal of Fusion Energy. DOI: 10.1007/s10894-014-9691-8 (第四作者) 3、The Design and Analysis of the Cooling System of NBI Thermal Shielding for EAST A# Equatorial Port (聚变工程，第四作者) 4、Optimal design of biconical liner structure based on orthogonal design method, EXPLOSION AND SHOCK WAVES (第一作者) ASIPP 工作中不足之处和下一步工作打算： 因专业知识的积累远远不够，遇到了很多难以理解的物理问题，自己的差距 很大，一些工作可能做得不够好，需要继续努力学习。 除了完成室里领导交代的任务外，对之前做得一些工作需要进一步整理，多 写一些学术论文。 目前正在准备一篇关于用DINA code 预测VDEs 期间等离子体演化的文章： Prediction of plasma evolution during VDEs in any tokamak with DINA code DINA程序需要进一步深入的学习。 电磁学计算方面还需要加强。 4.2日 参加英国CCFE Remote Handling 机械设计工程师应聘。 ASIPP 谢 谢 ！ ASIPP Monoblock 氦冷热分析 ASIPP ASIPP 表2 主要计算结果 钨最大温 度 铜最大温 度 铜铬锆最大温 度/K 入口 入口速度质 量流量 氦冷 1861 1540 1518 373/573~720 25.5g/s 水冷 962 605 578 308/322 9m/s 氦气与管道 边缘处 入口压力 备注 ASIPP 讨论 ①采用现有的水冷几何结构进行氦冷，显然效果是不如水冷的。 ②由于没有氦冷的几何模型，如果采用helium jets 冷却效果如何还需 要进一步的计算验证。 ③目前采用的是稳态计算，下一步打算计算下瞬态的情况。