GDC電極冷卻流道系統結構優化及適用范圍分析

江晟昊 袁艷平 曹曉玲

GDC電極冷卻流道系統結構優化及適用范圍分析

江晟昊 袁艷平 曹曉玲

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

利用數值模擬的方法研究了各區域流道結構尺寸對GDC電極冷卻流道系統傳熱效果的影響。分析結果表明減小第一區域冷卻流道厚度及寬度，增大電極體最外壁頂邊的倒圓角半徑及第二、三、四區域流道管徑均可降低GDC電極的最大溫度及平均溫度。綜合這些影響因素對冷卻流道系統結構進行了優化設計，在保證足夠安全裕量的前提下有效降低了GDC電極的最大溫度及平均溫度。針對優化后的GDC電極冷卻流道設計，研究了GDC電極在不同工況下所受熱負荷及冷卻水入口溫度大小對電極體各限制參數的影響，并確定了GDC電極冷卻流道系統的適用范圍。

GDC電極；溫度場；數值模擬；壓降

0 引言

輝光放電（GDC）電極作為托卡馬克裝置項目的子項目，旨在清除第一壁表面的核燃料粒子和其它雜質粒子，為高約束性能等離子體提供清潔的和低再循環的第一壁[1]。GDC電極運行期間會經歷兩個時期，等離子體操作期及烘烤期。在等離子體操作期，GDC電極最外層壁面會作為托卡馬克裝置內壁面的一部分，并接收到大量的熱負荷。

而烘烤期，GDC電極會伸入托卡馬克裝置的內腔進行輝光放電清除雜質，此時接收到的熱負荷較小。由于GDC電極在運行期間承受了較大的熱負荷，為了保障電極體的穩定運行，在電極內需要設計冷卻流道并通過循環冷卻水來達到降溫的目的[2]。Lijun Cai、Hongbing Xu等對GDC電極進行過冷卻流道設計與數值計算[3,4]，但設計的主要目的是滿足托卡馬克裝置對各設計參數的要求，缺少結構參數對冷卻流道系統散熱效果影響情況的研究，無法保障GDC電極在部分極端工況下的穩定運行。

本文在GDC電極傳熱數值研究的基礎上，建立了合適的幾何、數學模型，使用Fluent軟件進行數值模擬。通過對比較大范圍冷卻水入口流量條件下不同冷卻流道結構參數對GDC電極最大溫度、進出口壓降、平均流速等參數的影響，找到最優的設計參數。針對優化后的流道設計，通過增大GDC電極在等離子體操作期承受的熱負荷，研究冷卻流道系統可承受的熱負荷范圍，進一步保障GDC電極在部分極端工況下的穩定性。

1 模型及參數確定

1.1 幾何模型

GDC電極冷卻流道系統模型如圖1所示，采用了根據熱負荷大小不同冷卻流道形式與密度相應變化的多區域流道設計。

圖1 冷卻流道系統結構示意圖

擬變動的結構參數為第一區域流道厚度及寬度，電極體最外壁頂邊的倒圓角半徑及第二、三、四區域流道管徑，具體取值見表1所示。

表1 冷卻流道系統各參數值

1.2 網格及湍流模型

利用Workbench中的Design Modeler對GDC電極冷卻流道系統進行模型建立，并利用Meshing進行網格劃分，采用四面體網格[5]，網格總數控制在450～550萬。

使用Fluent模擬計算時，設置進口邊界條件為質流量及冷卻劑入口溫度；出口條件為定壓；設置壁面條件為非滑移壁面。湍流模型為模型。

1.3 運行工況及設計參數

GDC電極主要會經歷兩個主要時期，分別是等離子體操作期和GDC烘烤期。托卡馬克裝置文件Summary of GDC Heat Load[6]給出了兩個時期GDC電極的熱負荷參數。

對于等離子體操作期，由于GDC電極頭等離子體表面面向托卡馬克裝置內腔，所以會接收到輻射和電荷交換熱以及中子熱。首先，輻射和電荷交換熱為0.35MW/m2，熱負荷加載在電極頭的等離子體表面上。其次，中子熱是延徑向的體積熱負荷的指數衰減，具體公式如下：

根據托卡馬克裝置要求[7]，為了保證電極體的安全穩定運行，托卡馬克裝置要求電極體最高溫度不能超過400℃，冷卻液平均流速為0.5～5m/s。在等離子體操作期，冷卻水進出口壓力降小于1.35MPa，冷卻水進出口溫差小于126±10℃。在GDC烘烤期，出于安全考慮冷卻水溫度小于4.4MPa下水的沸騰溫度250.4℃。兩個不同工作時期冷卻水運行工況如表2所示。

表2 不同時期冷卻液運行工況

2 結構參數對冷卻流道系統性能的影響

為了保證冷卻流道系統其余參數均滿足托卡馬克裝置要求并具有足夠的安全裕量，取托卡馬克裝置對冷卻水進出口壓降、進出口溫差、平均流速等參數限制條件的80%作為參數上限，則冷卻水進出口壓降需不超過1.08MPa，平均流速需不超過4m/s。

2.1 第一區域流道厚度

如圖2所示，隨著第一區域流道厚度減小，電極體最大溫度逐漸降低，并且下降幅度較為均勻，流道厚度每減小1mm電極體最大溫度約平均下降2℃。這是由于減小流道厚度則減小了流道橫截面積，在流量不變的情況下增大了流道內冷卻水流速，增大了換熱系數。為了保證電極體最大溫度不超過400℃，當流道厚度不小于13mm時，需保證入口流量不小于0.5kg/s，當流道厚度小于13mm時，在全入口流量范圍內都能滿足托卡馬克裝置要求。

圖2 不同厚度下最大溫度隨入口流量變化

圖3 不同厚度下進出口壓降隨入口流量的變化

如圖3所示，隨著第一區域流道厚度減小，冷卻水進出口壓降逐漸增大，流道厚度每減小1mm冷卻水進出口壓降平均上升約0.1MPa。為了保證冷卻水進出口壓降不超過1.08MPa，當第一區域流道厚度為14mm時，需保證入口流量不大于1.2kg/s，當第一區域流道厚度為12mm～13mm時，需保證入口流量不大于1.1kg/s，當第一區域流道厚度為11mm時，需保證入口流量不大于1.0kg/s。

如圖4所示，隨著第一區域流道厚度減小，冷卻水平均流速逐漸增大，流道厚度每減小1mm冷卻水平均流速增大約0.1m/s。為了保證冷卻水平均流速不超過4m/s，當流道厚度為14mm時，需保證入口流量不大于1kg/s，當流道厚度為11mm～13mm時，需保證入口流量不大于0.9kg/s。

圖4 不同厚度下冷卻水平均流速隨入口流量變化

綜合上述分析結果，在可運行范圍內，第一區域流道厚度為11mm時電極體最大溫度具有最小值363.5℃，該結構參數下冷卻流道系統設計具有更好的散熱效果。

2.2 第一區域流道寬度

圖5 不同寬度下最大溫度隨入口流量變化

如圖5所示，隨著第一區域流道寬度減小，電極體最大溫度逐漸降低，流道寬度由17mm減小至16mm時，溫度下降幅度較小，流寬度由16mm減小至14mm時，寬度每減小1mm電極體最大溫度下降幅度有所增大。為了保證電極體最大溫度不超過400℃，當第一區域流道寬度不小于16mm時，需保證入口流量不小于0.5kg/s，當寬度小于16mm時，在0.4kg/s～1.2kg/s范圍內均可滿足托卡馬克裝置要求。

如圖6所示，隨著第一區域流道寬度減小，冷卻水進出口壓降逐漸增大。為了保證冷卻水進出口壓降小于1.08MPa，當流道寬度為14mm時，需保證入口流量不大于1.1kg/s，當流道寬度大于14mm時，在0.4kg/s～1.2kg/s范圍內均可滿足限制條件。

圖6 不同寬度下進出口壓降隨入口流量的變化

如圖7所示，隨著第一區域流道寬度減小，冷卻水平均流速逐漸增大。為了保證冷卻水平均流速不超過4.0m/s，當流道寬度不小于16mm時，需保證入口流量不大于1.0kg/s，當流道寬度小于16mm時，需保證入口流量不大于0.9kg/s。

圖7 不同寬度下冷卻水平均流速隨入口流量變化

綜合上述分析，在可運行范圍內，第一區域流道寬度為14mm時電極體最大溫度具有最小值360℃，該結構參數下冷卻流道系統設計具有更好的散熱效果。

2.3 最外層壁面頂邊倒角半徑

如圖8所示，隨著電極頭最外層壁面頂邊倒角半徑的增大，電極體最大溫度顯著降低。倒角半徑由6mm增大至7mm時電極體最大溫度降低幅度相對較小，半徑由7mm增大至9mm時，每增大1mm半徑電極體最大溫度降低幅度有所增大。為了保證電極體最大溫度小于400℃，當倒角半徑不大于7mm時，需保證入口流量不小于0.5kg/s，當倒角半徑大于7mm時，在0.4kg/s～1.2kg/s流量范圍內均可滿足要求。

圖8 不同半徑下最大溫度隨入口流量的變化

綜合上述分析，在可運行范圍內，當倒角半徑為9mm時，電極體最大溫度具有最小值302.5℃，該結構參數下冷卻流道系統設計具有更好的散熱效果。

2.4 第二、三、四區域流道管徑

圖9 不同管徑下最大溫度隨入口流量的變化

如圖9所示，隨著第二、三、四區域流道管徑減小，電極體最大溫度逐漸減小，但下降幅度較小，在0.4kg/s～1.2kg/s入口流量范圍內，不同管徑的冷卻流道間電極體最大溫度最大差值僅為2.2℃。為了保證電極體最大溫度小于400℃，四種管徑下冷卻流道系統入口流量需保證不小于0.5kg/s。

如圖10所示，隨著第二、三、四區域流道管徑減小，冷卻水進出口壓降逐漸增大。為了保證冷卻水進出口壓降小于1.08MPa，當管徑為17mm時，需保證入口流量不超過1.0kg/s，當管徑大于17mm時，在0.4kg/s～1.2kg/s范圍內均可滿足要求。

圖10 不同管徑下進出口壓降隨入口流量的變化

如圖11所示，隨著第二、三、四區域流道管徑減小，冷卻水平均流速逐漸增大。為了保證冷卻水平均流速小于4m/s，當管徑為20mm時，需保證入口流量不大于1.1kg/s，當管徑為18mm～19mm時，需保證入口流速不大于1.0kg/s，當管徑為17mm時，需保證入口流速不大于0.9kg/s。

圖11 不同管徑冷卻水平均流速隨入口流量變化

綜合綜合上述分析，在可運行范圍內，當倒第二、三、四排流道管徑為20mm時，電極體最大溫度具有最小值363.8℃。該結構參數下冷卻流道系統設計具有更好的散熱效果。

2.5 優化設計

通過前文的影響因素分析可知，減小第一區域流道厚度、寬度，第二、三、四區域流道管徑，增大電極體最外層壁面頂邊倒圓角半徑均可改善電極體最大溫度及平均溫度。根據前文的分析結果，選取第一區域流道厚度為11mm，寬度為14mm，倒角半徑為9mm，第二、三、四區域流道管徑為18mm，對冷卻流道系統結構進行優化。在可運行范圍內，取入口流量為0.9kg/s時，在滿足所有設計參數要求的前提下GDC電極最大溫度具有最小值299℃。

3 適用范圍分析

3.1 中子熱對冷卻流道系統的影響

圖12所示為不同大小的中子熱影響下，GDC電極最大溫度的變化情況。隨著熱負荷的增大，GDC電極的最大溫度在熱流密度增大到12MW/m3前增長較緩，每增大1MW/m3熱流密度GDC電極最大溫度僅升高約3℃，在熱流密度超過12MW/m3以后，電極體最大溫度的升高幅度增加，每增大1MW/m3熱流密度GDC電極最大溫度升高約19℃。當熱流密度超過12MW/m3時電極桿區域的GDC電極最大溫度便超過了最外層壁面，最終當熱流密度達到17MW/m3時達到398.8℃，非常接近托卡馬克裝置對于電極體最大溫度不超過400℃的要求。

圖12 不同大小中子熱對GDC電極最大溫度影響

3.2 輻射和電荷交換熱對冷卻流道系統的影響

圖13所示為不同大小的輻射和電荷交換熱影響下，GDC電極最大溫度的變化情況。隨著輻射和電荷交換熱的增大，GDC電極最大溫度呈線性增大，熱流密度每增加0.035MW/m2，電極體最大溫度增加約21℃。當輻射和電荷交換熱的熱流密度達到0.525MW/m2時，GDC電極最大溫度達到406℃，超過托卡馬克裝置對于電極體最大溫度的要求。

圖13 不同大小的輻射和電荷交換熱對GDC電極最大溫度的影響

4 結論

（1）通過改變GDC電極冷卻流道結構參數，對GDC電極進行模擬分析發現，減小第一區域冷卻流道厚度及寬度，增大電極體最外壁頂邊的倒圓角半徑，第二、三、四區域流道管徑均可降低GDC電極的最大溫度及平均溫度。減小第一區域冷卻流道厚度、寬度及后排區域管徑會增大冷卻液進出口壓力降及平均流速。而增大電極體最外壁頂邊倒圓角半徑對這幾類參數影響均很小。以對GDC電極最大溫度的改善效果為評價指標，選取第一區域流道厚度為11mm，寬度為14mm，頂邊倒角半徑為9mm，后排流道管徑為18mm作為研究范圍內的最優流道結構尺寸。優化后冷卻流道設計具有更好的冷卻效果，在可運行范圍內取入口流量為0.9kg/s，電極體最大溫度為299℃。

（2）通過增大等離子體操作期GDC電極承受的熱負荷，對優化后的GDC電極進行模擬分析發現，在保持輻射和電荷交換熱的熱負荷大小不變的情況下，GDC電極冷卻流道系統最大可承受中子熱的熱流密度為17MW/m3，電極體最大溫而在保持中子熱熱負荷大小不變的情況下，GDC電極冷卻流道系統最大可承受輻射和電荷交換熱的熱流密度為0.525MW/m2。

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Structural Optimization and Application Range Analysis of GDC Electrode Cooling Runner System

Jiang Chenghao Yuan Yanping Cao Xiaoling

( College of Mechanical Engineering, South west Southwest Jiaotong University of china, Chengdu, 610031 )

In this paper, the effect of structural size of each channel on the heat transfer effect of GDC electrode cooling runner system is studied by numerical simulation. The analysis results show that reducing the thickness and width of the cooling channel in the first region, increasing the rounding radius of the top edge of the outermost wall of the electrode body and the diameter of the second, third and fourth region flow channels can reduce the maximum temperature and average temperature of the GDC electrode. Based on these influencing factors, the structure of the cooling runner system is optimized, and the maximum temperature and average temperature of the GDC electrode are effectively reduced under the premise of ensuring sufficient safety margin. According to the optimized GDC electrode cooling flow channel design, the effects of the heat load and cooling water inlet temperature on the limiting parameters of the GDC electrode under different working conditions were studied, and the applicable range of the GDC electrode cooling channel system was determined.

GDC electrode; Temperature field; Numerical simulation; Pressure drop

1671-6612（2019）06-629-06

TL639

A

江晟昊（1993-），男，碩士研究生，E-mail：chenghaojiang@my.swjtu.edu.cn

袁艷平（1973-），男，博士后，博士生導師，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

2019-05-15