GDC电极冷却流道系统结构优化及适用范围分析

江晟昊 袁艳平 曹晓玲

GDC电极冷却流道系统结构优化及适用范围分析

江晟昊 袁艳平 曹晓玲

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

利用数值模拟的方法研究了各区域流道结构尺寸对GDC电极冷却流道系统传热效果的影响。分析结果表明减小第一区域冷却流道厚度及宽度，增大电极体最外壁顶边的倒圆角半径及第二、三、四区域流道管径均可降低GDC电极的最大温度及平均温度。综合这些影响因素对冷却流道系统结构进行了优化设计，在保证足够安全裕量的前提下有效降低了GDC电极的最大温度及平均温度。针对优化后的GDC电极冷却流道设计，研究了GDC电极在不同工况下所受热负荷及冷却水入口温度大小对电极体各限制参数的影响，并确定了GDC电极冷却流道系统的适用范围。

GDC电极；温度场；数值模拟；压降

0 引言

辉光放电（GDC）电极作为托卡马克装置项目的子项目，旨在清除第一壁表面的核燃料粒子和其它杂质粒子，为高约束性能等离子体提供清洁的和低再循环的第一壁[1]。GDC电极运行期间会经历两个时期，等离子体操作期及烘烤期。在等离子体操作期，GDC电极最外层壁面会作为托卡马克装置内壁面的一部分，并接收到大量的热负荷。

而烘烤期，GDC电极会伸入托卡马克装置的内腔进行辉光放电清除杂质，此时接收到的热负荷较小。由于GDC电极在运行期间承受了较大的热负荷，为了保障电极体的稳定运行，在电极内需要设计冷却流道并通过循环冷却水来达到降温的目的[2]。Lijun Cai、Hongbing Xu等对GDC电极进行过冷却流道设计与数值计算[3,4]，但设计的主要目的是满足托卡马克装置对各设计参数的要求，缺少结构参数对冷却流道系统散热效果影响情况的研究，无法保障GDC电极在部分极端工况下的稳定运行。

本文在GDC电极传热数值研究的基础上，建立了合适的几何、数学模型，使用Fluent软件进行数值模拟。通过对比较大范围冷却水入口流量条件下不同冷却流道结构参数对GDC电极最大温度、进出口压降、平均流速等参数的影响，找到最优的设计参数。针对优化后的流道设计，通过增大GDC电极在等离子体操作期承受的热负荷，研究冷却流道系统可承受的热负荷范围，进一步保障GDC电极在部分极端工况下的稳定性。

1 模型及参数确定

1.1 几何模型

GDC电极冷却流道系统模型如图1所示，采用了根据热负荷大小不同冷却流道形式与密度相应变化的多区域流道设计。

图1 冷却流道系统结构示意图

拟变动的结构参数为第一区域流道厚度及宽度，电极体最外壁顶边的倒圆角半径及第二、三、四区域流道管径，具体取值见表1所示。

表1 冷却流道系统各参数值

1.2 网格及湍流模型

利用Workbench中的Design Modeler对GDC电极冷却流道系统进行模型建立，并利用Meshing进行网格划分，采用四面体网格[5]，网格总数控制在450～550万。

使用Fluent模拟计算时，设置进口边界条件为质流量及冷却剂入口温度；出口条件为定压；设置壁面条件为非滑移壁面。湍流模型为模型。

1.3 运行工况及设计参数

GDC电极主要会经历两个主要时期，分别是等离子体操作期和GDC烘烤期。托卡马克装置文件Summary of GDC Heat Load[6]给出了两个时期GDC电极的热负荷参数。

对于等离子体操作期，由于GDC电极头等离子体表面面向托卡马克装置内腔，所以会接收到辐射和电荷交换热以及中子热。首先，辐射和电荷交换热为0.35MW/m2，热负荷加载在电极头的等离子体表面上。其次，中子热是延径向的体积热负荷的指数衰减，具体公式如下：

根据托卡马克装置要求[7]，为了保证电极体的安全稳定运行，托卡马克装置要求电极体最高温度不能超过400℃，冷却液平均流速为0.5～5m/s。在等离子体操作期，冷却水进出口压力降小于1.35MPa，冷却水进出口温差小于126±10℃。在GDC烘烤期，出于安全考虑冷却水温度小于4.4MPa下水的沸腾温度250.4℃。两个不同工作时期冷却水运行工况如表2所示。

表2 不同时期冷却液运行工况

2 结构参数对冷却流道系统性能的影响

为了保证冷却流道系统其余参数均满足托卡马克装置要求并具有足够的安全裕量，取托卡马克装置对冷却水进出口压降、进出口温差、平均流速等参数限制条件的80%作为参数上限，则冷却水进出口压降需不超过1.08MPa，平均流速需不超过4m/s。

2.1 第一区域流道厚度

如图2所示，随着第一区域流道厚度减小，电极体最大温度逐渐降低，并且下降幅度较为均匀，流道厚度每减小1mm电极体最大温度约平均下降2℃。这是由于减小流道厚度则减小了流道横截面积，在流量不变的情况下增大了流道内冷却水流速，增大了换热系数。为了保证电极体最大温度不超过400℃，当流道厚度不小于13mm时，需保证入口流量不小于0.5kg/s，当流道厚度小于13mm时，在全入口流量范围内都能满足托卡马克装置要求。

图2 不同厚度下最大温度随入口流量变化

图3 不同厚度下进出口压降随入口流量的变化

如图3所示，随着第一区域流道厚度减小，冷却水进出口压降逐渐增大，流道厚度每减小1mm冷却水进出口压降平均上升约0.1MPa。为了保证冷却水进出口压降不超过1.08MPa，当第一区域流道厚度为14mm时，需保证入口流量不大于1.2kg/s，当第一区域流道厚度为12mm～13mm时，需保证入口流量不大于1.1kg/s，当第一区域流道厚度为11mm时，需保证入口流量不大于1.0kg/s。

如图4所示，随着第一区域流道厚度减小，冷却水平均流速逐渐增大，流道厚度每减小1mm冷却水平均流速增大约0.1m/s。为了保证冷却水平均流速不超过4m/s，当流道厚度为14mm时，需保证入口流量不大于1kg/s，当流道厚度为11mm～13mm时，需保证入口流量不大于0.9kg/s。

图4 不同厚度下冷却水平均流速随入口流量变化

综合上述分析结果，在可运行范围内，第一区域流道厚度为11mm时电极体最大温度具有最小值363.5℃，该结构参数下冷却流道系统设计具有更好的散热效果。

2.2 第一区域流道宽度

图5 不同宽度下最大温度随入口流量变化

如图5所示，随着第一区域流道宽度减小，电极体最大温度逐渐降低，流道宽度由17mm减小至16mm时，温度下降幅度较小，流宽度由16mm减小至14mm时，宽度每减小1mm电极体最大温度下降幅度有所增大。为了保证电极体最大温度不超过400℃，当第一区域流道宽度不小于16mm时，需保证入口流量不小于0.5kg/s，当宽度小于16mm时，在0.4kg/s～1.2kg/s范围内均可满足托卡马克装置要求。

如图6所示，随着第一区域流道宽度减小，冷却水进出口压降逐渐增大。为了保证冷却水进出口压降小于1.08MPa，当流道宽度为14mm时，需保证入口流量不大于1.1kg/s，当流道宽度大于14mm时，在0.4kg/s～1.2kg/s范围内均可满足限制条件。

图6 不同宽度下进出口压降随入口流量的变化

如图7所示，随着第一区域流道宽度减小，冷却水平均流速逐渐增大。为了保证冷却水平均流速不超过4.0m/s，当流道宽度不小于16mm时，需保证入口流量不大于1.0kg/s，当流道宽度小于16mm时，需保证入口流量不大于0.9kg/s。

图7 不同宽度下冷却水平均流速随入口流量变化

综合上述分析，在可运行范围内，第一区域流道宽度为14mm时电极体最大温度具有最小值360℃，该结构参数下冷却流道系统设计具有更好的散热效果。

2.3 最外层壁面顶边倒角半径

如图8所示，随着电极头最外层壁面顶边倒角半径的增大，电极体最大温度显著降低。倒角半径由6mm增大至7mm时电极体最大温度降低幅度相对较小，半径由7mm增大至9mm时，每增大1mm半径电极体最大温度降低幅度有所增大。为了保证电极体最大温度小于400℃，当倒角半径不大于7mm时，需保证入口流量不小于0.5kg/s，当倒角半径大于7mm时，在0.4kg/s～1.2kg/s流量范围内均可满足要求。

图8 不同半径下最大温度随入口流量的变化

综合上述分析，在可运行范围内，当倒角半径为9mm时，电极体最大温度具有最小值302.5℃，该结构参数下冷却流道系统设计具有更好的散热效果。

2.4 第二、三、四区域流道管径

图9 不同管径下最大温度随入口流量的变化

如图9所示，随着第二、三、四区域流道管径减小，电极体最大温度逐渐减小，但下降幅度较小，在0.4kg/s～1.2kg/s入口流量范围内，不同管径的冷却流道间电极体最大温度最大差值仅为2.2℃。为了保证电极体最大温度小于400℃，四种管径下冷却流道系统入口流量需保证不小于0.5kg/s。

如图10所示，随着第二、三、四区域流道管径减小，冷却水进出口压降逐渐增大。为了保证冷却水进出口压降小于1.08MPa，当管径为17mm时，需保证入口流量不超过1.0kg/s，当管径大于17mm时，在0.4kg/s～1.2kg/s范围内均可满足要求。

图10 不同管径下进出口压降随入口流量的变化

如图11所示，随着第二、三、四区域流道管径减小，冷却水平均流速逐渐增大。为了保证冷却水平均流速小于4m/s，当管径为20mm时，需保证入口流量不大于1.1kg/s，当管径为18mm～19mm时，需保证入口流速不大于1.0kg/s，当管径为17mm时，需保证入口流速不大于0.9kg/s。

图11 不同管径冷却水平均流速随入口流量变化

综合综合上述分析，在可运行范围内，当倒第二、三、四排流道管径为20mm时，电极体最大温度具有最小值363.8℃。该结构参数下冷却流道系统设计具有更好的散热效果。

2.5 优化设计

通过前文的影响因素分析可知，减小第一区域流道厚度、宽度，第二、三、四区域流道管径，增大电极体最外层壁面顶边倒圆角半径均可改善电极体最大温度及平均温度。根据前文的分析结果，选取第一区域流道厚度为11mm，宽度为14mm，倒角半径为9mm，第二、三、四区域流道管径为18mm，对冷却流道系统结构进行优化。在可运行范围内，取入口流量为0.9kg/s时，在满足所有设计参数要求的前提下GDC电极最大温度具有最小值299℃。

3 适用范围分析

3.1 中子热对冷却流道系统的影响

图12所示为不同大小的中子热影响下，GDC电极最大温度的变化情况。随着热负荷的增大，GDC电极的最大温度在热流密度增大到12MW/m3前增长较缓，每增大1MW/m3热流密度GDC电极最大温度仅升高约3℃，在热流密度超过12MW/m3以后，电极体最大温度的升高幅度增加，每增大1MW/m3热流密度GDC电极最大温度升高约19℃。当热流密度超过12MW/m3时电极杆区域的GDC电极最大温度便超过了最外层壁面，最终当热流密度达到17MW/m3时达到398.8℃，非常接近托卡马克装置对于电极体最大温度不超过400℃的要求。

图12 不同大小中子热对GDC电极最大温度影响

3.2 辐射和电荷交换热对冷却流道系统的影响

图13所示为不同大小的辐射和电荷交换热影响下，GDC电极最大温度的变化情况。随着辐射和电荷交换热的增大，GDC电极最大温度呈线性增大，热流密度每增加0.035MW/m2，电极体最大温度增加约21℃。当辐射和电荷交换热的热流密度达到0.525MW/m2时，GDC电极最大温度达到406℃，超过托卡马克装置对于电极体最大温度的要求。

图13 不同大小的辐射和电荷交换热对GDC电极最大温度的影响

4 结论

（1）通过改变GDC电极冷却流道结构参数，对GDC电极进行模拟分析发现，减小第一区域冷却流道厚度及宽度，增大电极体最外壁顶边的倒圆角半径，第二、三、四区域流道管径均可降低GDC电极的最大温度及平均温度。减小第一区域冷却流道厚度、宽度及后排区域管径会增大冷却液进出口压力降及平均流速。而增大电极体最外壁顶边倒圆角半径对这几类参数影响均很小。以对GDC电极最大温度的改善效果为评价指标，选取第一区域流道厚度为11mm，宽度为14mm，顶边倒角半径为9mm，后排流道管径为18mm作为研究范围内的最优流道结构尺寸。优化后冷却流道设计具有更好的冷却效果，在可运行范围内取入口流量为0.9kg/s，电极体最大温度为299℃。

（2）通过增大等离子体操作期GDC电极承受的热负荷，对优化后的GDC电极进行模拟分析发现，在保持辐射和电荷交换热的热负荷大小不变的情况下，GDC电极冷却流道系统最大可承受中子热的热流密度为17MW/m3，电极体最大温而在保持中子热热负荷大小不变的情况下，GDC电极冷却流道系统最大可承受辐射和电荷交换热的热流密度为0.525MW/m2。

[1] 毕海林,胡建生,余耀伟,等.HT-7托卡马克全金属壁及锂化条件下辉光放电清洗的研究[J].真空科学与技术学报,2014,34(7):731-736.

[2] 曾建尔,邹桂清,冉红.ITER辉光放电电极的冷却计算[J].核聚变与等离子体物理,2007,(3):203-207.

[3] Lijun Cai, Tao Lin, Yingqiao Wang, et al. Preliminary fluid channel design and thermal-hydraulic analysis of glow discharge cleaning permanent electrode[J]. Fusion Engineering and Design, 2016:109-111.

[4] Hongbing Xu, Yinglong Yuan, Yong Lu, et al. The preliminary design of cooling channel for ITER GDC[J]. Fusion Engineering and Design, 2017:121.

[5] 张秀杰,谌继明,康伟山,等.ITER屏蔽包层屏蔽块热工水力分析[J].核聚变与等离子体物理,2010,30(3):267- 271.

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[7] V Udintsev. System Design Description Document (DDD) Diagnostic First Wall DFW[R]. ITER IDM Report, 2014.

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，硕士研究生，E-mail：chenghaojiang@my.swjtu.edu.cn

袁艳平（1973-），男，博士后，博士生导师，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

2019-05-15