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中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)系统是EAST高功率辅助加热和电流驱动系统的主要组成部分之一,引出系统是强流离子源实现束引出的关键设备,其性能好坏决定引出束的品质,直接影响中性束注入加热效率。
本文介绍了强流离子源引出系统的设计方案及组成结构,建立了针对电极模块及其内部流体的热流固耦合系统数学模型并提出结构优化模型,并通过分析电极表面束功率沉积特性提出了热流边界条件,研究了引出电极在高热流负载作用下的温升、应力分布和变形特性及其内部流场的流动特性,从而完成了对引出电极的热应力分析和结构优化。
根据耦合传热数值计算理论,通过基于计算流体动力学软件CFX的有限元模拟计算,得到了电极模块在主动冷却过程中的内部流场及表面温度分布规律。
将上述分析得到的温度场分布作为载荷施加到电极模块结构上,基于有限元分析软件ANSYS进行热应力计算,结果表明正常运行工况下,表面温升低于材料许用温升,不会发生塑性变形,优化后的引出电极结构可以满足工程要求。
考虑到主动冷却的需求,需要冷却水流速较高。为了研究流致振动效应,基于双向流固耦合振动模型对波纹管及电极管在“水锤”作用下的振动进行分析,分别得到了两种管路的振动特性,并提出减振措施。