液态金属包层是聚变堆示范包层的主要候选包层之一,液态金属包层中的导电流体在聚变堆强磁场环境下会出现磁流体动力学(MHD)效应。MHD效应不仅增加了包层管道中的压降,也改变了液态金属在包层中的速度与温度分布,影响了氚在包层中的输运。论文在充分调研国内外聚变堆高温强磁场环境下液态金属MHD数值模拟程序现状的基础上,进一步发展了液态金属MHD流动传热问题的数值模拟程序,并用标准算例进行了验证。论文中的MHD数值模拟程序采用电势方法求解液态金属中的感应电流,利用相容守恒格式与投影算法,最终获得包层管道中的液态金属流动速度与压力分布。基于计算机共享内存系统,程序设计过程中采用了 OpenMP并行编程标准,在程序运行过程中实现了并行计算,加速了数值计算过程的收敛。数值模拟程序的计算结果分别采用Hunt’s算例与Shercliff’s算例进行了验证,结果表明压力梯度与速度分布与理论解符合得很好,可以作为聚变堆包层设计过程中的重要分析工具。通过MHD数值模拟程序获得液态金属包层管道中流场分布后,使用有限体积法求解能量方程。求解过程采用QUICK格式离散对流项,并利用块修正技术将边界影响传递到管道内部,加快了数值模拟过程的收敛。从数值计算结果可以看出,管道侧壁的剪切流动显著提高了侧壁附近液态金属的传热能力。聚变堆实际工况下,温度对液态金属的粘性系数产生了很大影响,进而影响到流动和传热状况。论文通过将动量方程和能量方程耦合求解,计算了温度影响下的液态金属管道中的MHD流动与传热分布。结果表明,侧壁附近的液态金属流动速度将会减慢,并削弱了导电流体的传热能力,导致侧壁附近液态金属的温度高于粘性系数不改变时的情况。同时,论文以DCLL包层为例,通过数值求解氚在液态金属包层中的质量传输方程,获得了 Hunt’s算例中的氚浓度分布,并对氚在包层中的输运过程进行了分析,对于开展液态金属包层中的氚浓度分析有着很好的应用价值。为获取高压氦气对液态金属包层结构的传热性能参数,并验证MHD数值模拟程序计算结果的正确性,论文设计建造了高压氦气/液态铅锂MHD换热与传质回路实验系统。高压氦气系统由氦气瓶供气,通过压缩机、储存罐与缓冲罐的共同作用,实现了氦气的循环利用与闭环控制。液态铅锂回路为实验系统的试验段,论文给出了回路的设计方案,介绍了其中的主要设备与测量技术,为下一步开展液态铅锂MHD换热与传质实验建立了基础。