力学学报  2018 , 50 (6): 1379-1386 https://doi.org/10.6052/0459-1879-18-367

磁流体力学与等离子体力学

聚变堆相关的液态金属膜流初步实验研究1)

倪明玖*2), 阳倦成, 任东伟*, 刘佰奇*, 齐天煜*, 胡建生**, 李建刚**

*中国科学院大学工程科学学院, 北京 100049
西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室, 西安 710049
**中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031

PRELIMINARY EXPERIMENTAL STUDY ON THE LIQUID METAL FILM FLOW RELATED WITH FUSION NUCLEAR 1)

Ni Mingjiu*2), Yang Juancheng, Ren Dongwei*, Liu Baiqi*, Qi Tianyu*, Hu Jiansheng**, Li Jiangang**

*School of Engineering of Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanic Structures, School of Aerospace, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 100190, China
**Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

中图分类号:  O361.3

文献标识码:  A

收稿日期: 2018-11-5

接受日期:  2018-11-5

网络出版日期:  2018-11-18

版权声明:  2018 力学学报期刊社 力学学报期刊社 所有

基金资助:  1) 国家自然科学基金(51636009, 51776166), 科技部磁约束聚变能专项(2013GB114000) 和中科院先导专项(XDB22040201) 资助项目.

作者简介:

2) 倪明玖, 教授, 主要研究方向: 磁流体力学. E-mail: mjni@ucas.ac.cn

展开

摘要

在磁约束核聚变堆的面对等离子部件设计中,液态金属锂膜流因具有带走杂质、保护面对等离子固壁等优点而被认为是优选方案之一. 然而,如何克服聚变堆中强磁场环境下产生的磁流体力学效应并形成大面积均匀铺展锂膜流动是目前亟需解决的问题.本文通过搭建室温液 态镓铟锡回路和高温液态锂回路,开展了两种不同特性的液态金属膜流实验, 并采用传统可视化方法获得了展向磁场存在时镓铟锡和锂在导电底板形成的液膜流动表面特征.实验结果 表明: 无磁场时,两种液态金属膜流流动表面波动特性与常规流体膜流均一致, 即随着流动雷诺数的增加表面波动变得更为混乱; 而展向磁场存在时,镓铟锡膜流表面波动变得更为规则, 且沿着磁场方向平行排列,表现为拟二维波动的特征; 而锂膜流却产生了明显的磁流体 力学阻力效应,表现为在流动方向局部产生锂滞留现象, 且滞留点随雷诺数增大向下游移动. 最后通过膜流受力分析,进一步阐述了锂膜流受到比镓铟锡膜流更为严重磁流体力学效应影响的原因.

关键词: 液态金属 ; 液膜流动 ; 表面波 ; 磁约束核聚变 ; 磁流体力学

Abstract

Liquid lithium film flow is a superior choice for the plasma facing components in magnetic confinement fusion due to its advantages of removing impurities, protecting the solid surface directly against the plasma. However, it is a great challenge to overcome the magnetohydrodynamic effect on film flow and to realize the uniform spreading of film flow on a solid plate under the influence of an intense magnetic field in the nuclear fusion plant. In the present paper, based on the liquid GaInSn loop and the liquid lithium loop, we carry out experiments of liquid metal film flowing on the inclined electric conductive plate with the applied transverse magnetic field. The visualization method is adopted to observe the surface structures of film flow under different experimental conditions. By comparing the experimental results of liquid GaInSn and liquid lithium, we find that the characteristics of surface waves of liquid metal are the same as that of normal liquid without a magnetic field, namely the surface waves become chaotic with the increase of Reynolds number, while the characteristics change greatly under the influence of transverse magnetic field. The surface waves of liquid GaInSn film flow become quasi two-dimensional and parallel to the magnetic lines, while the liquid lithium film flow is nearly stagnated at a fixed position, indicating the existence of a strong magnetohydrodynamic resistance. Moreover, the stagnation point moves far away from the film generator at a larger Reynolds number. Finally, by analyzing the force loaded on the film, we make a detailed explanation of the phenomenon that the magnetohydrodynamic effect is much stronger on the liquid lithium flow than on the liquid GaInSn flow.

Keywords: liquid metal ; film flow ; surface waves ; magnetic confinement fusion ; magnetohydrodynamic

0

PDF (7279KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

倪明玖, 阳倦成, 任东伟, 刘佰奇, 齐天煜, 胡建生, 李建刚. 聚变堆相关的液态金属膜流初步实验研究1)[J]. 力学学报, 2018, 50(6): 1379-1386 https://doi.org/10.6052/0459-1879-18-367

Ni Mingjiu, Yang Juancheng, Ren Dongwei, Liu Baiqi, Qi Tianyu, Hu Jiansheng, Li Jiangang. PRELIMINARY EXPERIMENTAL STUDY ON THE LIQUID METAL FILM FLOW RELATED WITH FUSION NUCLEAR 1)[J]. Acta Mechanica Sinica, 2018, 50(6): 1379-1386 https://doi.org/10.6052/0459-1879-18-367

引 言

第一颗原子弹的爆炸给人类带来了核裂变能并促成了裂变能的商用发电,而第一颗氢弹的 爆炸让人们看到了相比裂变具有更大能量密度的聚变反应,但至今还未实现对其和平利用. 目前, 聚变发电仍处于理论上可行,技术上需要突破的阶段. 其中的托卡马克装置就是一个采用强磁场将等离子约束并期望实现连续稳定聚变反应和能量输出的实验堆,其实现连续 能量产出仍需解决大量的科学与技术问题,其中的面对等离子部件(PFCs)的实现是巨大挑 战之一[1].PFCs作为传递聚变产生的热量、实现对杂质的有效控制、在长脉冲运行条件下保持良好的第一壁状态、稳定控制工作气体的再循环、阻止非工作气体进入等功能的重要部件, 对整个磁约束聚变堆的连续稳定运行具有十分重要的影响.PFCs的实现难点在于其所面对的高温等离子体环境要求材料具有承受高热负荷和高辐照的能力,而目前还未找 到一种完全合适的固体材料[2].

流动的液态锂限制器/偏滤器是实现PFCs的重要方案之一[3-4]. 目前学者们已对其开展了大量的研究工作, 其中包括Hirooka等[5-6]基于CPD装置设计的一个旋转式的限制器,该装置通过一个旋转滚筒, 不断将限制器后面的液态锂黏附到前面接触等离子体. Kaita等[7-8]基于CDX-U装置设计的圆柱形限制器,通过外部注锂在不锈钢网表面形成液态锂膜并 接触等离子体.Apicella等[9-10]基于FTU设计了毛细网结构的液态锂限制器. 然而,这些研究仅仅是对连续锂膜流动 实现的一些初步尝试,还未考虑实际聚变堆物理环境. 中科院等离子物理所设计了一种具有流动锂膜覆盖的液态限制器(其中通过电磁泵控制液态锂流量,能形成流量约2 cm$^{3}$/s、厚度小于0.1 mm的液膜)并将该装置应用到EAST聚变实验堆中开展了大量的试验$^{[11- 13]. 试验结果表明, 由于复杂的磁场环境和温度环境,液态锂膜流并不能很好地覆盖于固体表面进而引起限制器未被锂膜覆盖的区域被高温等离子烧蚀. 同时,金属液膜在磁场中运动所产生的磁流体力学(MHD)效应必然也会影响稳定、大面积铺展膜流的实现[14].

磁流体力学是流体力学的一个分支, 它的研究内容涉及磁场对导电流体的作用. 郭永怀先生早在1950年代就倡导电磁流体力学的研究[15], 其主要对象就是磁约束聚变反应堆的研发.

在液态金属膜流的磁流体力学研究方面, 美国加州大学洛杉矶分校的Abdou教授团队以室温液 态镓铟锡(GaInSn)为流动介质, 开展了大量的实验和数值模拟研究, 研究结果表明: 在磁场 的作用下, 液态金属膜流会受到MHD阻力的影响, 液膜厚度沿流向逐渐增大, 且在磁场的 影响下会产生流动与侧壁分离以及不能完整覆盖底壁的溪流等现象, 他们认为磁场对于液 态金属薄膜表面湍流以及厚度不均匀分布的影响还需要开展深入的研究[4,16-18]. Platacis等[19]开展了强极向磁场(4 T)对GaInSn膜流影响的实验研究, 结果表明在膜流出口分布均匀的前提下能实现稳定的液 态金属膜流. 核工业西南研究院许增裕等[20- 22]基于已建成的液态金属回路开展了液态Na$^{22}$K$^{78}$合金和GaInSn在平板和曲 线板面形成的膜流实验, 结果表明液态金属与底板的润湿性会极大地影响膜流的铺展效果, 且数值模拟的结果表明磁场存在会促进液体与固壁的润湿[23]. Li等[24]采用超 声波测厚的方法对磁场影响下的NaK合金降膜流动厚度特征进行了详细的测量, 获得了磁 场对膜流流动的明显抑制效果. 本课题组以磁约束核聚变为研究背景, 开展了液态GaInSn 膜流在展向均匀强磁场(2 T)影响下的流动特性实验, 采用传统可视化的方法结合激光位移传感器获得了液膜流动的 主要特征, 表现为液膜表面波首先被磁场规则化, 而后随着磁场强度增强而被抑制[25 - 28]. 在锂膜流研究方面, 虽然其被认为是液态限制器的可能材料, 但由于锂物理性质较为 活泼, 操作不当容易产生火灾甚至爆炸等危险, 目前对锂直接开展膜流的实验研究甚少. 在 无磁场环境下, Yoshihashi-Suzuki等[29 - 30]采用插入式探针方法对液态锂通过喷嘴后形成的液膜波动特征进行了测量, 获得了高 速锂膜流的主要特征. 考虑磁场存在时, Okita等[31]获得了磁场对锂射流表面波动的 抑制效果. 本课题组开展了液态锂膜流MHD效应的初步实验研究, 定性上获得了磁场对锂 膜流动的阻碍现象[32].

综上可知, 目前受磁场影响下的锂膜流实验研究还十分有限, 液态锂膜的铺展性能、流动的 特征、以及磁场对膜流的影响机理等众多问题还未深入掌握, 同时以镓铟锡作为模拟流体开 展实验所获得的MHD效应是否能直接适用于液态锂限制器的设计还需得到进一步的确认.

本文以聚变堆的液态限制器/偏滤器为研究对象, 在实验室环境中开展了室温液态GaInSn和 高温液态锂的膜流实验, 采用高速相机对流动液膜表面波动进行可视化, 获得了展向磁场对 两种不同的液态金属膜流流动的影响, 并将相应结果进行对比分析, 以期为液态偏滤器的设 计提供参考数据.

1 实验系统

开展磁场下液态金属膜流实验的前提是需要有源源不断的液膜供给系统、类核聚变堆的强磁 场坏境、液膜生成部件等. 下面将对本文涉及的两套液态金属回路以及相应的实验方法进行 介绍.

1.1 液态镓铟锡回路

GaInSn作为一种室温液态金属, 其熔点为10.5$^{\circ}$C, 因此非常适用于实验室环境中开展相关的研究. 同时其相比水银而言的无毒特性也使得学者 们将其作为开展液态金属实验的首选流体. 然而, GaInSn相比常规流体(水、乙二醇等)容易 与空气中的氧气反应而产生一种覆盖于液体表面的类凝胶状的薄膜, 进而对流体的物性产 生影响. 研究表明当环境气体中的氧气含量大于$10^{-6}$ ppm时便会产生氧化的现象[33]. 因此, 在开展GaInSn实验时需特别注意将流体与氧 气隔绝, 尽量减少氧化的产生. 镓铟锡的物性详见文献[34].

图1为本实验所搭建的GaInSn回路示意图. 回路中主要包括如下功能部件: 用于实验前后 储存GaInSn的储液罐、用于提供液态金属循环动力的电磁泵、用于控制流体温度的换热器、 用于测量流量的电磁流量计、用于进行流量计标定的流量校正罐、用于开展所需实验的测试 段(本实验需要开展液膜实验, 对应的试验段模型如图2所示)、用于定压的循环罐以及用于 减少整个回路中氧气含量的氩气供应系统和抽真空系统. 该回路主要用于给实验提供一个 稳定的液态金属流动, 其中的测试段可根据实际实验的需求进行更换. 而系统中涉及的电磁 铁能在80 mm的宽度范围内产生不均匀度小于5%的匀强磁场, 磁场在0 $\sim $ 2 T连续可调.

图1   液态GaInSn回路示意图

Fig.1   Sketch of the liquid GaInSn loop

图2   镓铟锡膜流实验段模型图

Fig.2   Test section for liquid GaInSn Film flow

图2为开展GaInSn膜流实验的实验段模型图, 整个实验段由不锈钢材料加工而成, 其中包含位 于GaInSn入口附近的液膜生成结构(该结构能够稳定流动并控制液膜生成的初始厚度). GaInSn从膜流生成结构流出并在宽度为60 mm的不锈钢表面形成铺展(不锈钢表面与水平方向夹角为6$^{\circ}$左右). 为了更好地进行观测, 实验段上部分别安装了3个由有机玻璃制作的可视窗.

1.2 液态锂回路

液态锂作为聚变堆PFCs中限制器表面可能的流动介质, 对其开展相关膜流实验更有利于为 聚变堆的设计提供直接参考数据. 然而液态锂具有较高的危险性, 操作不当会引起爆炸等危 险, 不利于在实验室开展大量的实验, 目前相关的金属膜流实验主要以镓铟锡和水银为流动 介质. 本文搭建了一个小型的液态锂回路, 并基于该回路开展了液态锂膜流的初步实验, 以 期对比两种不同金属膜流产生的MHD效应区别.

图3给出了液态锂回路的示意图. 由于高温液态锂较为活泼, 整个系统必须严格控制氧和水 的含量, 如需在实验段抽真空、回路在运行前需进行加热除气、与锂接触的部件均需做好加 热以保证整个回路内部锂的流动性等, 实验中保证流体温度在300$^{\circ}$C左右. 本系统中的液态锂驱动采用较为安全的惰性气体加压驱动方式, 该方法能较 好地实现稳定的、小流量锂膜流动. 整个回路被安装于一个移动平台上, 以方便将回路中的 实验段顺利推入和移出实验室的电磁铁系统. 详细实验系统介绍以及锂的物性参数见文献[32].

图3   液态锂回路示意图

Fig.3   Sketch of the liquid lithium loop

回路中的实验段模型见图4所示, 其内部宽度60 mm, 可用于形成宽度60 mm长度600 mm的液态锂膜. 在液态锂的入口位置加工了用于形成稳定、均匀膜流的生成结构, 该结构 由20个水平均匀分布的小孔组成, 每个小孔的宽度为2 mm, 高度为0.5 mm. 实验段上下游管道与锂罐的连接处均有波纹管过度, 以保证实验段能在倾角为 $1^{\circ}\sim 10^{\circ}$范围内调节(为了与GaInSn实验保持一致, 本实验固定倾角为6$^{\circ}$左右). 实验段上部为可拆卸的有机玻璃观察窗, 为了防止其高温熔化, 在有机玻璃下 面设有水冷管路. 实验段除观察窗外全部由316 L不锈钢材料焊接而成.

图4   锂膜流实验段模型图

Fig.4   Test section for liquid lithium film flow

1.3 金属膜流测试方法

相比常规流体而言, 液态金属的不透明特性使得一些常规光学穿透性的测试方法(如激光等) 不再适用, 同时强磁场环境进一步限制了一些电子元件的使用. 尤其针对于高温环境下的液 态锂膜流, 目前还未有较为精确的膜流流速、厚度测试方法. 鉴于此, 本文将采用传统的可 视化方法对室温液态GaInSn膜流和高温锂膜流的流动特性进行观测. 实验过程中通过在液 膜表面照射一定强度的光源, 然后用相机拍摄液膜表面反射光亮度的变化情况来反映其波 动特性. 当液膜表面的形态发生变化时, 对应相机拍摄的液膜表面光的亮度也会发生明显的 变化, 一般而言, 当入射光源与液膜表面保持一定夹角时, 液膜表面波波峰位置反射光易进 入相机而产生亮斑, 反之, 对应表面波波谷位置较暗. 通过对相机获取的图像进行后处理, 能从定性上获得一个较大区域内液膜表面的轮廓变化. 实验中采用的可视化系统由一个 LED光源和高速相机组成(美国约克公司生产的Phantom V341).

GaInSn膜流实验段和锂膜流实验段均为不锈钢加工而成, 相应膜流的边界条件为导电固壁 边界条件. 同时受限于实验室电磁铁系统的可用气息宽度(80 mm), 膜流的展向方向会不可避免地受到固体壁面边界的影响. 实验中以液膜初始厚度为无 量纲特征长度计算雷诺数({\it Re})和哈特曼数(Ha), 其中$Re = u\delta / \upsilon $, $ Ha = B\delta ( k/\rho \upsilon )^{1 / 2}$, 相应的$u$为膜流出口流速, $\delta $为液膜的初始厚度, $\upsilon $为流体的黏性系数, $\rho $为流体的密度, $k$为流体的电导率.

2 实验结果与讨论

本节分别对常温液态GaInSn膜流和高温锂膜流实验结果进行分析, 并对比两种不同的液态 金属流体在磁场影响下的膜流流动特征.

2.1 液态镓铟锡膜流实验结果

2.1.1 镓铟锡膜流的铺展特性

图5给出了不同流动雷诺数, 采用高速相机拍摄的GaInSn膜流流动瞬时图片. 图中流动方向为自上而下. 由于相 机与被拍摄的液膜表面呈一定的夹角(约30$^{\circ}$), 获取的膜流表面图像为梯形. 从图中可以看出, 当流动{\it Re}较小时液膜表面呈现与展向近似平行的波纹结构(图5(a), $Re = 1553.6)$,而随着Re增大, 相机所拍摄的图片中黑色区域(波谷)和白色区域(波峰)分布变得更为随机, 表明 液膜表面波动更为复杂(图5(d), $ Re = 7767.8)$, 呈现三维表面波动状态.

图5   不同Re数工况下的GaInSn膜流特性

Fig.5   Flow characteristics of GaInSn film with different Re

2.1.2 镓铟锡膜流的磁流体力学效应

当金属液膜流动引入与流动方向垂直的磁场时,导电流体运动时会产生与运动方向相反的 洛伦兹力作用,进而对膜流产生影响. 图6给出了GaInSn膜流在不锈钢底板上的流动形态随磁场强度(对应无量纲哈特曼数)的变化.

图6   不同展向磁场强度影响下的GaInSn膜流特性$( Re = 4660.7)$

Fig.6   Flow characteristics of GaInSn film with different strength of spanwise magnetic field $( Re = 4660.7)$

对比图6(a)和图6(b)可以发现, 液膜表面的明暗相间条纹变得更为规则,且明暗条纹对比度 更为明显,表明展向磁场$B$的引入使得液膜表面波变得规则,进一步对比沿流向的表面波 波长变化可知, 磁场使得流向波的波长减小.随着磁场强度的逐渐增强, 这一现象更为明显, 当$ Ha = 68.0$时,整个液膜表面较为均匀地分布着平行于磁场方向的明暗相间的条纹,表明此时的表 面波为拟二维结构.磁场对液膜表面波动影响所产生的这一现象与Davision等[35]分析磁场对涡结构产生沿磁场方向拉伸现象一致.

2.2 液态锂膜流实验结果

相比室温下具有流动特性的GaInSn,锂需要在高温环境下才能呈现液体的属性, 开展锂膜流实验对实验段结构要求更为严格, 也相应更难获得精确的实验数据.

2.2.1 液态锂膜的铺展特性

液体对固体表面的润湿性将直接影响液膜在固体壁面的形成. 在锂回路搭建完成后第一次流动实验时, 我们发现液态锂并不能较好地润湿不锈钢壁面, 在液膜出口位置产生了较大的锂 液珠并逐渐聚集而往下流动(如图7所示). 这种现象是本实验以及用锂膜流作为限制器表面材料所不希望看到的. 为了解决这一问题, 我们先将实验段调成水平状态, 让液态锂聚集在 实验段底部并形成完整的液膜, 静止数小时后反复用流动的液态锂冲刷不锈钢底板, 并最终 能形成实验所需倾斜角下的均匀铺展锂膜流.

图7   液态锂在不锈钢表面的不润湿状态

Fig.7   The non-wetting condition of liquid lithium on stainless steel surface

锂膜流的表面特性见图8图9所示. 受限于实验段支架结构,我们无法获得与GaInSn膜 流实验一样的整个膜流表面特征,只能通过将相机垂直液膜表面拍摄初始段的膜流特征(从液膜生成结构出来后的一段膜流).

图8   不同Re数工况下的锂膜流特性

Fig.8   Flow characteristics of Lithium film with different Re

图9   不同展向磁场强度影响下的锂膜流特性

Fig.9   Flow characteristics of lithium film flow with different strength of spanwise magnetic field

图8 中可以看出, 在较小雷诺数工况下$({ Re} = 356.6$, 图8(a)),相机拍摄的锂膜表面较为光滑, 无明显波纹结构; 而当Re为1039时(图8(b)), 从相机获取的图片中能明显看出液膜表面变形特征.随着Re的进一步增大, 液膜表面图像变得更为复杂, 当Re为2207.5时, 液膜表面呈现出了明显的鱼鳞状三维表面波结构.这种表面波结构的产生 与膜流生成处的出口结构有关.

2.2.2 液态锂膜流的磁流体力学效应

当展向磁场存在时, 液态锂膜流呈现了完全不同的表面特征.图9给出了两种不同流动雷诺数, 添加磁场前后的液膜表面特征. 当Ha数为9时,两种不同雷诺数液膜表面均出现了明显的流动滞留现象(如图9(b)和图9(d)).小雷诺数工况下滞留点位置靠近膜流生成结构的出口,而大雷诺数使得滞留点位置向下游移动.流动滞留现象的产生主要是由MHD阻力引起的, 即磁 场作用下,液态金属较难沿着不锈钢底板向下流动,而当洛伦兹力与惯性力和重力相当时, 在流动特定位置产生滞留的现象.这种滞留现象的产生将严重影响限制器表面均匀液态锂膜 的形成,进而导致限制器的固体表面曝露和破坏.

2.3 液态锂和镓铟锡膜流磁流体力学特性分析

从GaInSn膜流和锂膜流的可视化结果可以看出, 无磁场时,液态金属膜流表面波动特性随流动雷诺数的变化与常规流体产生的现象基本一致,即随着雷诺数的增大表面波动从二维转变为三维. 当展向磁场存在时,液态金属膜流产生了明显的 磁流体力学特性,主要表现为液膜表面波的规则化和消失. 然而, GaInSn膜流所产生的MHD效应与锂膜流所产生的MHD效应有所区别. 对于锂膜流而言, 当$Ha =9$时便出现了表面波动消失和明显的流动停滞现象, 而对于GaInSn膜流,当Ha达到68时, 还仅呈现出表面波动规则化的现象.这种差异的产生可以通过如下的受力分 析进行解释.相同实验条件(磁场强度、平板倾斜角度和速度相同)下倾斜平板上的单位体积液膜流动主要受到液膜重力沿平板方向的分量$( \propto \rho)$、惯性力$( \propto \rho )$、黏性力$( \propto \upsilon \rho )$、洛伦兹力$( \propto k )$等的作用,其中惯性力和重力分量为流动动力, 而黏性力和洛伦兹力为流动阻力. 对比GaInSn和锂的物性可以发现: 锂的密度$\rho $约为GaInSn的1/12,锂的黏度$\upsilon $为GaInSn的2倍, 锂的电导率$k$与GaInSn相当.因此相同实验条件下锂膜流相比GaInSn 膜流具有较小的动力,更易产生流动停滞的现象.

锂的低Z特性以及在聚变堆中的产氚(聚变燃料之一)效果使得其被认为液态限制器的优选介质之一, 然而液态锂流动的MHD效应相比其他流体更为显著,采用GaInSn等模拟流体开展 与聚变堆液态限制器相关的实验,对应的结果还需要开展详细分析才能作为相关设计的参 考. 进一步地,如何较好地设计限制器结构以减少MHD效应的影响是聚变工程界需要解决的问题.

3 结 论

以磁约束核聚变中的PFCs中的液态限制器为研究对象,本文通过搭建室温液态GaInSn回路 和高温液态锂回路,在实验室环境分别开展了磁场对GaInSn和锂膜流影响的实验, 并通过可视化获得了流动基本特征, 对应结论如下:

(1) 无磁场下,两种不同的液态金属产生的表面波动现象与常规流体(如水、油等)一致,表现为 随着雷诺数的增大表面波动从二维形态转变成三维形态;

(2) 展向磁场存在时,液态GaInSn膜流的表面波动从三维无序状态转变成沿着磁场方向排列的二维波动, 且随着哈特曼数的增大变得更为规则;而液态锂膜表现出了表面波动消失甚至 流动停滞现象,且大雷诺数对应的停滞产生点更靠近膜流的下游;

(3) 通过考虑两种不同的液态金属的物性差异并对膜流流动进行受力分析发现,相比GaInSn而言液态锂的较小密度和较大黏度使得相同实验条件下液态锂膜流动受到洛伦兹力作用更为明显, 进而在较小哈特曼数下便产生了流动停滞的现象.

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] Li J, Luo G, Ding R, et al.

Plasma facing components for the Experimental Advanced Superconducting Tokamak and CFETR

. Physica Scripta, 2014, 2014(T159): 014001

[本文引用: 1]     

[2] Abdou M, Morley NB, Smolentsev S, et al.

Blanket/first wall challenges and required R & D on the pathway to DEMO

. Fusion Engineering and Design, 2015, 100: 2-43

[本文引用: 1]     

[3] Moir RW.

Rotating liquid blanket for a toroidal fusion reactor

. Fusion Engineering and Design, 1987, 5(3): 269-272

[本文引用: 1]     

[4] Narula M, Abdou MA, Ying A, et al.

Exploring liquid metal plasma facing component (PFC) concepts---Liquid metal film flow behavior under fusion relevant magnetic fields

. Fusion Engineering and Design, 2006, 81(8-14): 1543-1548

[本文引用: 2]     

[5] Hirooka Y, Zushi H, Bhattacharyay R, et al.

Active particle control in the CPD compact spherical tokamak by a lithium-gettered rotating drum limiter

. Journal of Nuclear Materials, 2009, 390: 502-506

[本文引用: 1]     

[6] Bhattacharyay R, Zushi H, Hirooka Y, et al.

Study on wall recycling behaviour in CPD spherical tokamak

. Fusion Engineering and Design, 2008, 83(7): 1114-1119

[本文引用: 1]     

[7] Kaita R, Majeski R, Efthimion P, et al.

CDX-U liquid lithium limiter experiments//

APS Meeting Abstracts, 2003

[本文引用: 1]     

[8] Majeski R, Kaita R, Boaz M, et al.

Lithium plasma-facing components in CDX-U//

APS Meeting Abstracts, 2001

[本文引用: 1]     

[9] Apicella ML, Mazzitelli G, Ridolfini VP, et al.

First experiments with lithium limiter on FTU

. Journal of Nuclear Materials, 2007, 363-365(1): 1346-1351

[本文引用: 1]     

[10] Apicella ML, Lazarev V, Lyublinski I, et al.

Lithium capillary porous system behavior as PFM in FTU tokamak experiments

. Journal of Nuclear Materials, 2009, 386(2): 821-823

[本文引用: 1]     

[11] Zuo GZ, Hu JS, Li JG, et al.

First results of lithium experiments on EAST and HT-7

. Journal of Nuclear Materials, 2011, 415(1): S1062-S1066

[本文引用: 1]     

[12] Yang Q, Chen Z, Du Q, et al.

Development of the flowing liquid lithium limiter for EAST tokamak

. Fusion Engineering and Design, 2017, 124: 179-182

[13] Zuo GZ, Ren J, Hu JS, et al.

Liquid lithium surface control and its effect on plasma performance in the HT-7 tokamak

. Fusion Engineering and Design, 2014, 89(12): 2845-2852

[本文引用: 1]     

[14] 倪明玖.

磁约束核聚变反应堆研发相关的金属流体力学问题研究

. 中国科学: 物理学力学天文学, 2013, 43: 1570-1578

[本文引用: 1]     

(Ni Mingjiu.

Liquid metal hydrodynamics relevant to R & D of magnetocondined fusion reactor. Sci Sin-

Phys Mech Astron, 2013, 43: 1570-1578(in Chinese))

[本文引用: 1]     

[15] 邱励俭. 聚变能及其应用. 北京: 科学出版社, 2007

[本文引用: 1]     

(Qiu Lijian.Nuclear Fusion and Its Application. Beijing: China Science Publishing, 2007 (in Chinese))

[本文引用: 1]     

[16] Ying AY, Abdou MA, Morley N, et al.

Exploratory studies of flowing liquid metal divertor options for fusion-relevant magnetic fields in the MTOR facility

. Fusion Engineering and Design, 2004, 72(1): 35-62

[本文引用: 1]     

[17] Morley NB, Gaizer AA, Tillack MS, et al.

Initial liquid metal magnetohydrodynamic thin film flow experiments in the McGA-loop facility at UCLA

. Fusion Engineering and Design, 1995, 27(95): 725-730

[18] Narula M, Abdou MA, Ying AY, et al.

Study of liquid metal film flow characteristics under fusion relevant magnetic field conditions//20th IEEE/NPSS Symposium on

Fusion Engineering, 2003: 2-5

[本文引用: 1]     

[19] Platacis E, Flerov A, Klukin A, et al.

Gravitational flow of a thin film of liquid metal in a strong magnetic field

. Fusion Engineering and Design, 2014, 89(12): 2937-2945

[本文引用: 1]     

[20] Xu Z, Pan C, Kang W.

Experimental observation and theoretic analysis MHD effects of a liquid metal jet in a gradient magnetic field

. Fusion Science and Technology, 2004, 46(46): 577-585

[本文引用: 1]     

[21] Zhang X, Xu Z, Pan C.

MHD effect of liquid metal film flows as plasma-facing components

. Plasma Science and Technology, 2008, 10(6): 685-689

[22] Zhang X, Pan C, Xu Z.

MHD stability analysis and flow controls of liquid metal free surface film flows as fusion reactor PFCs

. Plasma Science and Technology, 2016, 18(12): 1204-1214

[本文引用: 1]     

[23] 张秀杰, 潘传杰, 许增裕.

润湿性及磁场对液态金属自由表面膜流流动状态的影响

. 核聚变与等离子体物理, 2017, 37(1): 52-57

[本文引用: 1]     

(Zhang Xiujie, Pan Chuanjie, Xu Zengyu.

Effects of wettability and magnetic field on the liquid metal free surface film flow state

. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2017, 37(1): 52-57(in Chinese))

[本文引用: 1]     

[24] Li FC, Serizawa A.

Experimental study on flow characteristics of a vertically falling film flow of liquid metal NaK in a transverse magnetic field

. Fusion engineering and design, 2004, 70(2): 185-199

[本文引用: 1]     

[25] Yang JC, Qi TY, Ni MJ, et al.

Flow patterns of GaInSn liquid on inclined stainless steel plate under a range of magnetic field

. Fusion Engineering and Design, 2016, 109-111: 861-865

[本文引用: 1]     

[26] 阳倦成, 齐天煜, 刘佰奇.

磁场作用下液态金属膜流铺展特性的实验研究

. 工程热物理学报, 2017(9): 1917-1922

(Yang Juancheng, Qi Tianyu, Liu Baiqi, et al.

Experimental study on spreading characteristics of liquid metal film under influence of magnetic field

. Journal of Engineering Thermophysics, 2017(9): 1917-1922(in Chinese))

[27] Yang JC, Qi TY, Ren DW, et al.

Surface waves of liquid metal film flow under the influence of spanwise magnetic field

. Fusion Engineering and Design, 2018, 130: 42-47

[28] Yang JC, Qi TY, Ren DW, et al.

Rearrangement of liquid metal surface waves by a uniform transverse magnetic field

. Experiments in Fluids, 2018, 59(11): 165

[本文引用: 1]     

[29] Yoshihashi-Suzuki S, Sugiura H, Hoashi E, et al.

Overview: Free surface measurement with renewed nozzle of Osaka Li loop

. Fusion Engineering and Design, 2011, 86(9): 2577-2580

[本文引用: 1]     

[30] Yoshihashi-Suzuki S, Hoashi E, Kanemura T, et al.

Characteristics of surface oscillation on high speed liquid Li jet

. Fusion Engineering and Design, 2012, 87(7-8): 1434-1438

[本文引用: 1]     

[31] Okita T, Morioka J, Hoashi E, et al.

Study on suppression of free surface fluctuation of liquid Li jet by magnetic field

. Fusion Engineering and Design, 2017, 124: 975-979

[本文引用: 1]     

[32] Liu BQ, Yang JC, Qi TY, et al.

Experimental study on the lithium film flow in the spanwise magnetic field

. Fusion Engineering and Design, 2018, doi: 10.1016/j.fusengdes.2018.03.011

[本文引用: 2]     

[33] Liu T, Sen P, Kim CJ.

Characterization of nontoxic liquid-metal alloy galinstan for applications in microdevices

. Journal of Microelectromechanical Systems, 2012, 21(2): 443-450

[本文引用: 1]     

[34] Morley NB, Burris J, Cadwallader LC, et al.

GaInSn usage in the research laboratory

. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(5): 056107

[本文引用: 1]     

[35] Davidson P A.

Magnetic damping of jets and vortices

. Journal of Fluid Mechanics, 1995, 299: 153-186

[本文引用: 1]     

/