CN108242270B - 一种降低液态包层mhd压降的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体流动控制技术领域，具体内容涉及一种降低液态包层MHD压降的结构；该结构通过在管道壁上加强扰动金属条，可以使管道内液态金属在较低入口流速的情况下充分湍流化，其感应电流分布较层流会杂乱许多，从而不能形成一致的阻碍液态金属向前流动的洛伦兹力，可有效降低液态包层管道内的MHD压降，同时较其它方法在工程上更容易实现。

Description

一种降低液态包层MHD压降的结构
技术领域
本发明属于流体流动控制技术领域，具体内容涉及一种降低液态包层MHD压降的结构。
背景技术
聚变堆液态包层是一种非常先进的包层形式，其通过液态金属进行氚增殖，液态金属既作为冷却剂又作为增殖剂，因此较固态包层其设计更简单、提氚更方便、热转换率更高。但是液态金属在聚变堆强磁场中运动，会产生阻碍其流动的洛伦兹力，因此产生非常大的MHD压降，其压降通常为普通水力学压降的104倍以上，如何降低液态包层内非常大的MHD压降成为其实现过程中非常关键的问题。
由于聚变堆内非常高的中子辐照损伤及热应力，只能选用导电金属作为液态包层的管道材料，其中包括铁素体钢及钒合金等。
目前降低导电管道内液态金属MHD压降通常包括两种方法：其一为在导电管道壁上加绝缘涂层，但目前为止没有找到能够完全覆盖管道壁且能自修复的绝缘涂层，绝缘涂层的剥落会产生磁流体不稳定性及较大的三维MHD压降，该方法在工程上非常难实现；
其二为采用绝缘通道插件的方法，即在导电管道内插入一个绝缘管道，以降低管道内的MHD压降，为了平衡插件管道内外的压力，通常在插件管道上开压力平衡缝或孔，但目前已有的实验结果表明插件管道内的MHD流速分布非常复杂，压力平衡缝或孔附近存在高速流体区，这会对插件管道产生冲刷腐蚀同时引起较大的结构应力，绝缘插件的方法在工程实现上也存在许多问题。
另外通道插件MHD实验结果还表明导电的带缝插件较绝缘的带缝插件更能有效降低MHD压降，该结果表明流速分布的改变可显著影响其MHD压降，因此可以通过控制管道内的流速分布来降低其MHD压降。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种降低液态包层MHD压降的结构，一种在工程上容易实现且能有效降低液态包层MHD压降的结构，解决液态包层MHD压降问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
本发明的目的在于提供一种降低液态包层MHD压降的结构，该结构包括1个管道，在管道内壁沿管道长度方向在设置多根螺旋强扰动金属条。
进一步，所述管道为矩形管道，管道材料为铁素体或ODS钢或钒合金。
进一步，所述管道的尺寸为：沿磁场方向的管道尺寸及垂直磁场方向的管道尺寸范围为20mm至100mm，管道壁厚度为1mm至3mm。
进一步，所述螺旋强扰动金属条采用铁素体钢或钒合金材料的金属条绕制而成。
进一步，所述螺旋强扰动金属条厚度范围为0.5mm至1mm；螺旋强扰动金属条的宽度为管道水力学直径的十分之一，螺旋强扰动金属条的绕制螺旋间距为水力学直径的二分之一。
进一步，所述螺旋强扰动金属条的宽度为1mm至3mm；螺旋强扰动金属条的螺旋间距为5mm至30mm。
进一步，所述螺旋强扰动金属条通过焊接或其他机械方式沿管道长度方向设置在管道内壁上；螺旋强扰动金属条在管道内壁上的设置间距为管道水力学直径的五分之一。
进一步，所述螺旋强扰动金属条在管道内壁上的设置间距为4mm至20mm。
进一步，管道内流体为液态金属，液态金属在管道内沿托卡马克的极向流动，液态金属材料为液态锂或锂铅合金。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明一种降低液态包层MHD压降的结构，通过在管道壁上加强扰动金属条，可以使管道内液态金属在较低入口流速的情况下充分湍流化，其感应电流分布较层流会杂乱许多，从而不能形成一致的阻碍液态金属向前流动的洛伦兹力，因此可有效降低液态包层管道内的MHD压降，同时较其它结构在工程上更容易实现。
附图说明
图1是层流时管道截面内感应电流分布示意图；
图2是湍流时管道截面内感应电流分布示意图；
图3是本发明一种螺旋强扰动金属条示意图；
图4是紧贴矩形管侧壁的螺旋强扰动金属条示意图；
图5是本发明一种降低液态包层MHD压降的结构示意图；
图6是本发明一种降低液态包层MHD压降的结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种降低液态包层MHD压降的结构作详细说明。
如图1和图2所示，当管道内液态金属入口流速较低时，管道内流动状态为层流，其对应的感应电流分布上下对称(如图1所示)，容易形成一致的阻碍液态金属向前流动的洛伦兹力，使得液态包层管道内的MHD压降明显；当在管壁上设置扰动金属条时，可以使管道内液态金属在较低入口流速的情况下充分湍流化，其感应电流分布较层流会杂乱许多(如图2所示)，从而不能形成一致的阻碍液态金属向前流动的洛伦兹力，因此可有效降低液态包层管道内的MHD压降。
如图3至图6所示，本发明一种降低液态包层MHD压降的结构，包括1个管道，在管道内壁，沿管道长度方向设置多根螺旋强扰动金属条。液态金属在管道内沿托卡马克的极向流动，液态金属材料一般为液态锂或锂铅合金。
所述管道为矩形管道，对聚变堆内材料要求其具有低活化、抗中子辐照及能承受较高的应力，因此液态包层内的矩形管道采用铁素体或ODS钢或钒合金制作；
考虑到聚变堆换热及氚增殖的要求，矩形管道的尺寸一般为：其沿磁场方向的管道尺寸2b及垂直磁场方向的管道尺寸2a范围为20mm至100mm，管道尺寸小于20mm不利于提高氚增殖率，管道尺寸大于100mm会引起较大的热应力，不利于管道的结构安全。
考虑管道的结构安全及抗腐蚀需要，管道壁厚度尺寸tw范围为1mm至3mm。
考虑到抗腐蚀需要，螺旋强扰动金属条采用铁素体钢或钒合金材料的金属条绕制而成；螺旋强扰动金属条厚度范围为0.5mm至1mm，考虑抗腐蚀的需要，其厚度不能低于0.5mm，同时螺旋强扰动金属条的厚度超过1mm情况下不利于绕制；为了使整个管道内流动充分湍流化，螺旋强扰动金属条的宽度d1大约为管道水力学直径的十分之一，优选螺旋强扰动金属条宽度d1范围为1mm至3mm；螺旋强扰动金属条的绕制螺旋间距d2约为水力学直径的二分之一，优选螺旋间距d2的范围为5mm至30mm。
所述螺旋强扰动金属条通过焊接或其他机械方式沿管道长度方向设置在管壁上；为了使整个管道内流动充分湍流化，螺旋强扰动金属条的布置间距d3大约为管道水力学直径的五分之一，优选螺旋强扰动金属条的设置间距d3范围为4mm至20mm。

Claims (6)

1.一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，该结构包括1个管道，在管道内壁沿管道长度方向设置多根螺旋强扰动金属条；所述管道为矩形管道，管道材料为铁素体或ODS钢或钒合金；所述管道的尺寸为：沿磁场方向的管道尺寸及垂直磁场方向的管道尺寸范围为20mm至100mm，管道壁厚度为1mm至3mm；所述螺旋强扰动金属条采用铁素体钢或钒合金材料的金属条绕制而成。
2.根据权利要求1所述的一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，所述螺旋强扰动金属条厚度范围为0.5mm至1mm；螺旋强扰动金属条的宽度为管道水力学直径的十分之一，螺旋强扰动金属条的绕制螺旋间距为水力学直径的二分之一。
3.根据权利要求2所述的一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，所述螺旋强扰动金属条的宽度为1mm至3mm；螺旋强扰动金属条的螺旋间距为5mm至30mm。
4.根据权利要求2所述的一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，所述螺旋强扰动金属条通过焊接或其他机械方式沿管道长度方向设置在管道内壁上；螺旋强扰动金属条在管道内壁上的设置间距为管道水力学直径的五分之一。
5.根据权利要求2所述的一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，所述螺旋强扰动金属条在管道内壁上的设置间距为4mm至20mm。
6.根据权利要求2所述的一种降低液态包层MHD压降的结构，其特征在于，管道内流体为液态金属，液态金属在管道内沿托卡马克的极向流动，液态金属材料为液态锂或锂铅合金。
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