ICF驱动器靶场温度场构建及分析

论文摘要

目前,人们已经越来越意识到了能源危机的严重性,因此,一直在努力寻求新型的、清洁的、丰富的能源。受控核聚变主要是氘、氚为聚变燃料的反应,而氘、氚燃料可以从水中提取,从每升水中提取的氘用来产生的聚变能约是70升石油燃烧产生的能量。在地球上有大量的水资源,可以说聚变能是一种取之不尽、用之不竭的能源,同时也是一种干净、安全的能源,并较之裂变能更为便宜。目前世界上主要的发达国家已建立或正在建造ICF激光装置,并将ICF激光装置作为国家安全、能源和科学研究水平的重要标志。而这种技术密集型装置的生存力完全依赖于其稳定可靠运行,从概念设计阶段开始,直至系统运行,关键问题之一是可靠稳定性。温度是影响ICF激光装置稳定运行的一个重要因素,而目前温度在我国ICF高功率固体激光装置靶场研究问题中日益突出并得到重视,本论文就目前我国ICF驱动器靶场关键部分——中间层,在暖通系统（HVAC）作用下的温度场进行了分析研究。本论文首先从工程实际出发,就ICF高功率固体激光装置靶场中间层的实际建筑结构,结合数值模拟计算理论,采用有限容积法对计算区域和控制方程的离散进行了分析,归纳计算得出靶场中间层的数值模型的控制方程和边界条件。采月PC-2WS多通道温湿度监测记录仪和PTWD-2A温度传感器对靶场中间层各内壁面和4个特定截面的温度值进行了监测,采用MATLAB软件对实验数据进行了拟合,初步分析得出了靶场中间层的温度场分布趋势（论文创新点,详见第3章）。并将测得的壁面温度值作为考虑了内热源的、辐射换热影响的三维稳态数值计算模型的边界条件。用GAMBIT软件对计算区域进行了网格划分。采用计算流体分析软件FLUENT,以实验测得的壁面温度和内热源温度值为边界条件,对包含内热源的靶场中间层的温度场进行了数值计算,进一步分析靶场中间层的温度场分布情况（论文主要创新点,详见第2、4章）。将实验数据和数值模拟数据在空间特定点的温度值进行分析对比,验证所建温度场物理模型数值计算的正确性,分析误差产生的原因,从而为我国ICF高功率固体激光装置靶场的结构优化设计提供了改进的依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）驱动器概述
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 温度场构建及分析的研究现状及发展
• 1.3.1 温度场研究方法概述
• 1.3.2 国内外温度场仿真研究现状
• 1.4 主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 2 ICF靶场温度场模型构建基础
• 2.1 ICF靶场温度场物理模型
• 2.2 ICF靶场温度场数值模型
• 2.2.1 数值计算特点
• 2.2.2 ICF靶场空气介质物理性质
• 2.2.3 湍流数值模型
• 2.2.4 控制方程的离散化
• 2.2.5 初始、边界条件及源项条件的处理
• 2.2.6 代数方程组的求解
• 2.2.7 ICF靶场中间层温度场数值模型控制方程
• 2.2.8 ICF靶场温度场数值模型边界条件
• 2.3 ICF靶场温度场数值模型计算区域离散化
• 2.3.1 网格生成技术
• 2.3.2 ICF靶场温度场模型网格划分
• 2.4 小结
• 3 ICF靶场温度场分布实验及分析
• 3.1 ICF靶场温度场实验方案
• 3.1.1 研究对象
• 3.1.2 实验方案
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 有效数据的筛选
• 3.2.2 实验结果及分析
• 3.3 小结
• 4 ICF靶场温度场数值模拟及分析
• 4.1 ICF靶场温度场数值计算模型假设条件设置
• 4.2 FLUENT软件简介
• 4.3 ICF靶场温度场数值模拟结果及分析
• 4.3.1 计算步骤及相关设置
• 4.3.2 温度场数值模拟结果分析
• 4.4 数值模拟结果与实验结果比较
• 4.5 网格无关性分析
• 4.6 误差分析
• 4.6.1 模型误差
• 4.6.2 测量误差
• 4.7 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录