A computer simulation study to unveil fluid behavior of the beam-on target of a fusion neutron source

揭示聚变中子源射束目标流体行为的计算机模拟研究

基本信息

批准号：
22K03579
负责人：
中村誠
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Kushiro National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

核融合中性子源の自由表面液体リチウム流ターゲットについて、平板近似に基づく数値流体シミュレーション(CFD)モデルを開発した。ターゲット形状は凹型なので、単に流体方程式を解くだけで自ずと解に遠心力効果が現れるはずである。しかし本解析平板近似を用いるため、流れ方向に垂直な遠心力項を流体方程式に人為的にソースタームとして導入した。汎用流体計算パッケージOpenFOAMを用いて、ナビエ・ストークス方程式を数値的に解き、3次元平板近似体系における自由表面Li流れの挙動を解析する数値流体力学計算コードを開発した。新たに開発した計算コードを用いて、ターゲットに掛かる遠心力がリチウム液面形状に及ぼす影響を評価した。本解析においてビーム入射は考慮しない。本解析において簡単のためにターゲットの曲率半径は一定（R = 0.245 m）と仮定した（すなわち遠心力は一様と仮定）。ノズル出口流速vinについて流体シミュレーションの感度解析を行ったところ、下流方向に向かって液面が増大することが分かった。さらに、入口流速が大きいほど液面の盛り上がりが大きいことが分かった。特にvin = 10~20 m/sの場合において、ターゲットのビーム入射中心位置においてリチウム液面は数mm盛り上がることが分かった。本研究の数値シミュレーションで得られた液面高さの流れ方向分布は、先行する簡易理論解析とELTL実験結果と定性的に一致した。本研究成果はthe 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2022)にてOutstanding Presentation Awardを受賞され、学術的に高い評価を受けた。

针对聚变中子源中的自由表面液态锂流靶，开发了基于板近似的计算流体模拟（CFD）模型。由于目标形状是凹形的，只需求解流体方程，离心力效应就自然会出现在解中。然而，为了在该分析中使用平板近似，在流体方程中人为地引入了垂直于流动方向的离心力项作为源项。使用通用流体计算包 OpenFOAM，我们开发了一种计算流体动力学计算代码，可以对纳维-斯托克斯方程进行数值求解，并分析三维板近似系统中自由表面锂流的行为。使用新开发的计算代码，我们评估了目标上的离心力对锂液体表面形状的影响。此分析中不考虑光束入射。在此分析中，为简单起见，我们假设目标的曲率半径恒定（R = 0.245 m）（即假设离心力均匀）。当我们对喷嘴出口流速vin进行流体模拟的敏感性分析时，我们发现液位向下游方向增加。此外，还发现入口流速越高，液位上升越大。特别是当vin=10~20 m/s时，发现目标光束入射中心位置锂液面上升了数mm。本研究数值模拟得到的液面流向分布与之前的简单理论分析和ELTL实验结果定性一致。该研究成果在第41届JSST仿真技术国际年会（JSST2022）上获得优秀报告奖，并获得学术界高度评价。