用于Vertex-CFD中液态金属聚变包层的全感应磁流体动力学求解器
计算物理
2025-11-20 v1
摘要
液态金属聚变包层的多物理场建模对于预测性能、确保结构完整性和优化能量产出至关重要，该包层用于生产氚并将聚变反应产生的中子能量转化为热能。虽然正常稳态运行条件下液态金属流动的传统包层建模通常采用磁流体动力学（MHD）方程的无感应近似，但瞬态场景（此时等离子体约束磁场在毫秒时间尺度上变化）需要采用全感应MHD方法，该方法通过含时感应方程动态演化磁场。本文介绍了集成于开源Vertex-CFD框架内的全感应MHD求解器的公式化、实现和初步验证，该框架旨在实现紧密的多物理场耦合、灵活的软件设计（便于扩展和添加物理模型）以及跨计算平台的性能可移植性。该求解器利用有限元空间离散、隐式龙格-库塔时间积分和非精确牛顿法来求解所得的离散非线性系统，并利用Trilinos软件包实现高效计算。针对选定基准问题的验证证明了求解器的准确性和鲁棒性。此外，当将该求解器应用于2.5维和全三维的理想化包层模型时，Vertex-CFD获得的结果与近期发表的准二维模拟结果吻合良好。这些发现为未来使用Vertex-CFD模拟液态金属包层中的瞬态MHD现象奠定了计算基础，并为未来的扩展和性能优化开辟了途径。
引用
@article{arxiv.2511.15549,
title = {A Full-Induction Magnetohydrodynamics Solver for Liquid Metal Fusion Blankets in Vertex-CFD},
author = {Eirik Endeve and Doug Stefanski and Marc-Olivier G. Delchini and Stuart Slattery and Cory D. Hauck and Bruno Turcksin and Sergey Smolentsev},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.15549},
year = {2025}
}