一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统

本发明涉及液态金属实验，更具体地涉及一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统。

背景技术：

1、核聚变因其能量密度大、原材料储量丰富且成本低廉、产物清洁且具备安全环保等优点备受关注。各国视核聚变为未来能源结构的重要组成部分，并将其确立为重要的战略发展目标。托卡马克作为最有可能实现商业化的核聚变装置，因而研究托卡马克具有重要意义。基于托卡马克聚变的工作原理可见，包层是聚变能走向应用的核心部件之一，同时也是聚变堆实现应用目标的功能载体，具有实现氚增值、屏蔽辐射、产生并带走热量的功能。目前，从氚增殖剂物质形态上可以将包层分为两大类：固态包层和液态包层。综合对比表明，液态包层具有结构简单安全、效率高、核燃料易于提取、tbr高等优点。

2、包层的工作环境极为苛刻，具有强磁场、大热源和复杂几何构型等特点，哈特曼数可达到104，格拉晓夫数可达到109～10，雷诺数可达到105。在此环境下，首先，包层中的液态金属由于受到磁场存在所感应生成的洛伦兹力作用而产生磁流体力学效应；其次，液态金属一方面由于受到进出口压差作用而形成强迫对流；另一方面由于受到大温差引起的浮力作用产生自然对流，因此最终的流场在驱动力、浮力、粘性力、电磁力等多种机制耦合作用下将处于十分复杂的混合对流状态，并且还会产生一些新的反常的、独特的、复杂的流动传热行为。

3、申请号为201410763709.7的发明专利提供了一种液态金属介质强迫对流实验回路，该发明实现了能够根据实验目的在堆外营造聚变堆工况的实验环境，开展包层关键技术问题的实验研究。但是由于目前超导技术限制，普遍在匀强磁场区前后，均有一部分非匀强磁场区，而这部分磁场强度的变化梯度较大，而非匀强磁场区对导电流体的运行影响较大，相当于导体在变化磁场中运行，产生感应电流，加之有磁场，会产生力的作用。但是其并未考虑非匀强磁场的影响。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供了一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，在实验段中加入蜂窝稳流管，避免了非匀强磁场对于液态金属的影响。

2、本发明的目的是提供一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，包括工质循环管路，还包括与工质循环管路连接的实验段；

3、所述实验段包括依次连通的入口段、加热段和出口段；

4、所述入口段与所述工质循环管路的一端连通，且处于非匀强磁场区；靠近所述加热段的所述入口段内设有蜂窝稳流管；通过所述蜂窝稳流管限制液态金属在非均匀磁场区的非主流方向上的运动；

5、所述加热段处于匀强磁场区，且所述加热段的底部设有加热组件；

6、所述出口段与所述工质循环管路的另一端连通，且处于非匀强磁场区；所述出口段设有排气口和排液口。

7、本发明通过在靠近所述加热段的所述入口段内设置所述蜂窝稳流管，此段内加入具有微小通道的蜂窝稳流管的原因在于：由于蜂窝稳流管中的每个毛细管的截面尺寸较小，限制了液态金属在非均匀磁场区在非主流方向上的运动；且毛细管间间隔十分小，截面排布毛细管十分密集，使得液体金属在主流方向上，出毛细管时汇聚作用小，从而减小了非匀强磁场对液态金属的影响。

8、本发明的一个优选实施例中，所述蜂窝稳流管包括外壳和多个毛细管，所述外壳呈两端开口的管状，所述外壳与所述入口段的内腔相匹配，多个所述毛细管被套设在所述外壳内，且呈蜂窝状排列。

9、本发明的一个优选实施例中，所述加热段上可拆卸连接有超声多普勒测速探头和温度监测组件。

10、本发明的一个优选实施例中，所述加热段上设有多个插槽和多个测速探头接口，所述加热段通过所述插槽与所述温度监测组件可拆卸连接；所述加热段通过所述测速探头接口与所述超声多普勒测速探头可拆卸连接。实验过程中，根据实验要求将所述超声多普勒测速探头插在不同位置的所述测速探头接口上，同样的，所述插槽用于连接温度监测组件，通过所述温度监测组件获得温度信息从而获得传热强弱的变化。

11、本发明的一个优选实施例中，所述测速探头接口上套设有软管，所述超声多普勒测速探头贯穿所述软管和所述测速探头接口插入所述加热段内。所述软管在套设时，利用温差配装法进行组装，可以理解的是，此部分需要达到密封的要求。

12、本发明的一个优选实施例中，所述入口段的入口端以及所述出口段的出口端均设有阀门；在清理所述超声多普勒测速探头时，通过所述阀门的关闭避免液态金属的喷出。然后利用酒精将所述超声多普勒测速探头表面的氧化物进行清洗。

13、本发明的一个优选实施例中，所述加热组件沿着液态金属流向呈s形排布。该排布方法有利于实现均匀加热。

14、本发明的一个优选实施例中，所述加热段上底部设有方槽，所述加热组件设于所述方槽中，所述加热组件包括加热丝和玻璃纤维管，所述玻璃纤维管套设在所述加热丝上。所述玻璃纤维管作为套管，且具有绝缘作用，将所述玻璃纤维管套在所述加热丝上从而隔开了所述加热丝和所述实验段的管道。

15、本发明的一个优选实施例中，所述加热段的两端设有压差计接口，通过所述压差计接口接入压差计对所述加热段两端的压差进行监测记录。

16、本发明的一个优选实施例中，所述工质循环管路上设有储液罐、电磁泵、换热器、流量计、膨胀箱、超导磁铁、氩气罐、真空泵和缓冲罐；所述储液罐用于氩气环境下储存液态金属；

17、所述强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统包括气路和液路；

18、所述液路是液态金属依次经过所述缓冲罐、所述电磁泵、所述换热器、所述流量计、所述膨胀箱、所述入口段、所述加热段和所述出口段，所述入口段、所述加热段和所述出口段上均设有所述超导磁铁，在所述超导磁铁的作用下处理完，然后从所述出口段流出，进入所述缓冲罐中形成回路；

19、所述气路是通过所述氩气罐给所述膨胀箱、所述缓冲罐和所述储液罐提供氩气气氛。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、本发明在实验段的入口段添加了蜂窝稳流管，由于蜂窝稳流管中的每个毛细管的截面尺寸较小，限制了液态金属在非均匀磁场区在非主流方向上的运动。且毛细管之间的间隔十分小，截面排布毛细管十分密集，使得液体金属在主流方向上，出毛细管时汇聚作用小。从而避免了非匀强磁场对于液态金属的影响。

22、此外，本发明还在入口段和出口段上设置了阀门，阀门的隔断，使得对超声多普勒测速探头进行清洁时，不会因为液位差导致液态金属喷出。

技术特征：

1.一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，包括工质循环管路，其特征在于，还包括与工质循环管路连接的实验段(6)；

2.根据权利要求1所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述蜂窝稳流管包括外壳(612)和多个毛细管(613)，所述外壳(612)呈两端开口的管状，所述外壳(612)与所述入口段(61)的内腔相匹配，多个所述毛细管(613)套设在所述外壳(612)内，且呈蜂窝状排列。

3.根据权利要求1所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述加热段(62)上可拆卸连接有超声多普勒测速探头和温度监测组件。

4.根据权利要求3所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述加热段(62)上设有多个插槽(622)和多个测速探头接口(623)，所述加热段(62)通过所述插槽(622)与所述温度监测组件可拆卸连接；所述加热段(62)通过所述测速探头接口(623)与所述超声多普勒测速探头可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述测速探头接口(623)上套设有软管(624)，所述超声多普勒测速探头贯穿所述软管(624)和所述测速探头接口(623)插入所述加热段(62)内。

6.根据权利要求4所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述入口段(61)的入口端以及所述出口段(63)的出口端均设有阀门；在清理所述超声多普勒测速探头时，通过所述阀门的关闭避免液态金属的喷出。

7.根据权利要求1所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述加热组件沿着液态金属流向呈s形排布。

8.根据权利要求7所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述加热段(62)上底部设有方槽，所述加热组件设于所述方槽中，所述加热组件包括加热丝和玻璃纤维管，所述玻璃纤维管套设在所述加热丝上。

9.根据权利要求1所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述加热段(62)的两端设有压差计接口(625)，通过所述压差计接口(625)接入压差计对所述加热段两端的压差进行监测记录。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，其特征在于，所述工质循环管路上设有储液罐(1)、电磁泵(2)、换热器(3)、流量计(4)、膨胀箱(5)、超导磁铁(7)、氩气罐(8)、真空泵(9)和缓冲罐(10)；所述储液罐(1)用于氩气环境下储存液态金属；

技术总结本发明公开了一种强磁场环境下的液态金属混合对流实验系统，属于液态金属实验技术领域。液态金属混合对流实验系统包括工质循环管路，还包括与工质循环管路连接的实验段；实验段包括依次连通的入口段、加热段和出口段；入口段与工质循环管路的一端连通，且处于非匀强磁场区；靠近加热段的入口段内设有蜂窝稳流管；通过蜂窝稳流管限制液态金属在非均匀磁场区的非主流方向上的运动；加热段处于匀强磁场区，且加热段的底部设有加热组件；出口段与工质循环管路的另一端连通，且处于非匀强磁场区；出口段设有排气口和排液口。本发明在实验段中加入蜂窝稳流管，避免了非匀强磁场对于液态金属的影响。技术研发人员：周建东,唐予豪,阳倦成,倪明玖受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18