液态金属自由表面射流磁流体力学效应的数值模拟

分析了磁流体力学效应对液态金属自由表面射流稳定性的影响。从射流的感应电势、电流、速度等方面,解释射流在磁场中稳定的原因。数值计算结果验证了理论分析。

自由表面磁流体射流不稳定性分析(II)

用微分解析方法分析了自由表面磁流体射流在两个非均匀、相互垂直的横向磁场中的稳定性行为。获得了在给定射流初始速度分布和磁场分布条件下射流的速度空间分布表达式;分析了射流扭转及向外溅射的位置。

自由表面射流磁流体不稳定性分析(I)

利用微分解析方法分析了自由表面液态金属射流在非均匀的横向磁场中的稳定性行为,得出了在给定射流初始速度分布和磁场分布条件下,射流的速度空间分布表达式。在特定的条件下,射流存在固有稳定区,其稳定区长度与横向磁场的空间非均匀程度和射流的初始速度有关;但其向外溅射的位置与BT横向磁场的非均匀程度、射流的初始速度、液态金属粘滞系数和重力加速度有关。

液态金属自由表面射流磁流体力学效应的数值模拟

液态金属自由表面在上个世纪70年代就已经提出来了，直到上个世纪的90年代作为液态偏滤器／限制器和液态第一壁概念，才真正引起广泛的兴趣和关注，并重新加以研究。与传统的固体靶板材料相比较，采用液态金属自由表面的偏滤器／限制器和第一壁主要优点如下，（1）能承受更高的表面热功率密度和耐中子辐照，（2）连续性和可更新性，容易实现循环更新，（3）能在较高的温度下工作。

液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的磁流体力学效应研究

近年来，由于考虑液态金属作为偏滤器／限制器和第一壁的面对等离子体材料，液态金属自由表面受到越来越多的关注。原因在于液态金属自由表面具有高效的排热和吸热性能、能随强的中子辐照和高的表面热功率密度等特点，而这是未来先进聚变堆对偏滤器、限制器、第～壁材料所要求的。为此，美国启动了庞大的研究项目——ALPS／APEX，而各主要发达国家也展开这方面相关的研究工作。但是目前对于液态金属自由表面在聚变相关条件下的了解还是很有限的，特别是射流，这是由于射流在非均匀磁场下的行为太复杂：一方面是涉及流体力学的自由表面问题。另一方面是导致其更为复杂化的磁流体力学（MHD）效应。本文就液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的稳定性展开研究，而研究其稳定性的关键在于它的磁流体力学效应。

2．9 自由表面射流磁流体不稳定性分析（Ⅰ）

液态金属自由表面新概念是20世纪70年代初提出来的，而引起广泛兴趣，并重新加以研究。主要考虑用作液态偏滤器、液态限制器和液态第一壁。可以预计未来的固体靶板的偏滤器也只能承受20MW·m^-2左右的表面功率密度。

自由表面磁流体射流不稳定性分析（Ⅱ）

在“自由表面磁流体射流不稳定性分析(Ⅰ)”一文中，分析了圆形截面自由表面磁流体射流在一个均匀或非均匀磁场中的不稳定性行为。本文以类似的方法分析了圆形截面射流(下文“射流”亦特指“圆形截面射流”)在两个相互垂直且非均匀的横向磁场中的磁流体不稳定性行为；这是磁聚变中液态金属偏滤器和限制器所处的情况，即，环向和极向磁场同时作用于自由表面射流。

液态金属自由表面射流初步实验结果

液态金属自由表面新概念，以它可承受高达50MW·m^-2以上的表面热功率密度、易循环更新和无中子辐照损伤寿命限制等优点，已作为在未来有可能取代目前固态高热负荷部件的方案加以研究。在三种液态金属自由表面形式中，即固体材料表面流动的液态膜（film）、液帘[连续射流（jet flow）或液滴（drop）]及毛细管现象（capillary）。连续射流最有可能成为未来液体偏滤器／限制器选用的形式。但对如磁流体动力学不稳定性、与等离子体相互作用和液体内所吸附粒子的排出等问题的研究，尽管近两年来尤其在美国建立了许多新的研究设施并进行了相关研究，但目前对液态金属自由射流MHD不稳定性问题的认识，不管是理论上的还是实验上都还非常缺乏。在核能项目和国家自然科学基金课题支持下，利用我院的液态金属实验回路（LMEL）进行了相关的实验研究，并获得了初步的结果。

液态金属自由表面膜流MHD效应的数值模拟

对液态金属自由表面膜流在强磁场下的磁流体力学效应进行了数值模拟研究,获得了液态金属自由表面的形状、截面流速分布及截面上的电动势分布,从而能对膜流的一些磁流体动力学行为作出解释。数值计算结果与理论分析和实验结果符合较好。由实验和数值模拟结果可以得出,液态金属膜流通过强磁场时,磁场会阻碍膜流的运动。

非均匀磁场中自由表面液态射流的MHD稳定性分析

基于在液态金属实验回路上的实验,对非均匀磁场中液态金属射流的MHD稳定性进行了研究,建立了一个描述射流性能的简化模型。由此简化模型所得的结果与从实验获得的结果相比较表明,它们相当吻合,并发现在此液态金属射流中存在一个固有稳定性区域。

一种简化求解非均匀磁场中射流流速及截面的方法

论述了一种能较好地分析和预测非均匀磁场中液态金属自由表面射流流速及截面变化的简化的理论求解方法 。

二维平面和轴对称淹没射流的数值研究

对带有自由表面的湍流淹没射流（射流喷嘴分别为二维平面和圆形两种）进行了数值计算，控制方程采用守恒形式和标准ｋ－ε模式，对自由表面近似作为对称面处理，采用“刚盖”假定，最后将计算结果与试验进行了比较．

薄膜光探测器绑定点的几何设计与仿真分析

目前,光器件在硅基衬底上的集成是光电领域的研究热点。将基于表面张力的流体自组装技术应用于薄膜金属-半导体-金属(MSM)光探测器的集成上,其集成效果的优劣与器件绑定点的几何形状有关。为了有效预测薄膜MSM光探测器绑定点的间距和形状对集成效果的影响,利用MATLAB对其集成过程中表面自由能的分布状况进行了仿真分析。首先,在介绍薄膜MSM光探测器的基础上,对其集成过程建立了平移和旋转仿真模型。然后,根据表面自由能与匹配度的线性关系,分别仿真出了不同间距和形状的绑定点在集成过程中匹配度的分布状况图。通过分析匹配度的斜率以及正确装配状态和误装配状态之间的关系,预测两端绑定点间距较长、绑定点形状为梯形时集成效果较好。最后,考虑到薄膜光电器件有可能需要区分正负极的情况,将其两端绑定点设计成不对称形状并进行仿真分析,尽量避免集成过程中出现正负极反接的状态。

MHD Instability Analysis of Liquid Metal Free Surface Jet Flow in Non-Uniform Magnetic Fields （Part Ⅱ）

In lost paper of magneto-hydrodynamic instability analysis of liquid metal free surface jet flow (Part Ⅰ), the magneto-hydrodynamic instability was analyzed for the jet flow in a transverse non-uniform magnetic field, BT. But, as all known, for the real conditions of liquid metal limiter-divertor plasma-facing components are in toroidal and poloidal fields. So, we try to analyze the magneto-hydrodynamic instability of the jet flow (hereby only for circular shape cross section jet flow) in the zone of non-uniform magnetic fields,