AbstractHydrodynamics analyses as a part of the APEX (advanced power extraction) study demonstrates the potential application of applying swirling thick liquid walls to innovative confinement concepts such as field reversed configuration (FRC), spherical torus (ST) and heavy-ion fusion (HIF). This paper addresses the design and the hydrodynamic aspects of fusion relevant swirling flow including 3-D velocity distribution, variations of the flow height in axial and azimuthal directions and hydrodynamic flow stability. Numerical hydrodynamic analyses using a 3-D code with Flibe as the working fluid, shows that a thick liquid first-wall/blanket (>0.6 m) can be maintained in a circular vacuum chamber of 2 m radius by injecting the liquid layer from one side through a swirl flow generating inlet with axial (7 m/s) and azimuthal (10 m/s) velocity components. Parametric computational study indicated that the liquid layer thickness in axial and azimuthal directions is strongly dependent on the inlet axial, azimuthal velocity values and gravitational acceleration. It also shows that a uniform liquid layer thickness can be maintained for axial and azimuthal inlet velocities of 11 and 13 m/s in a cylindrical chamber with a 2 m radius and 12 m length. The swirling liquid wall idea is applied successfully to ST and HIF configurations. A 2D linear stability analysis using potential flow theory (Reynolds number is ∼106 for liquid wall thickness of ∼0.5 m) of the swirling flow in the azimuthal flow direction suggested that mean flow is stable when the surface tension, gravitational acceleration, and the centrifugal force effects are considered.
AbstractHydrodynamics解析は、APEX（先進動力抽出）研究の一部として、革新的な閉じ込め概念、例えば磁場反転配位（FRC）、球状トーラス（ST）、重イオン核融合（HIF）への旋回流液体壁の適用可能性を示すものである。本論文は、核融合に関連する旋回流の設計と流体力学的側面、すなわち3次元速度分布、軸方向および方位角方向における流れの高さの変動、ならびに流体力学的安定性について論じる。作動流体としてFlibeを用いた3次元コードによる数値流体力学解析は、半径2 mの円筒形真空容器内において、軸方向速度成分（7 m/s）および方位角方向速度成分（10 m/s）を有する旋回流生成入口から液体層を片側から注入することにより、厚さ0.6 mを超える液体第一壁／ブランケットを維持できることを示す。パラメトリック数値計算研究により、軸方向および方位角方向における液体層の厚さは、入口の軸方向・方位角方向速度値と重力加速度に強く依存することが明らかになった。また、半径2 m、長さ12 mの円筒形チャンバーにおいて、軸方向および方位角方向の入口速度がそれぞれ11 m/sおよび13 m/sの場合に、均一な液体層厚さを維持できることが示された。旋回流液体壁の概念は、STおよびHIF構成に適用され成功を収めている。ポテンシャル流理論を用いた2次元線形安定性解析（液体壁厚さ約0.5 mにおいてレイノルズ数は約10⁶）により、方位角方向の旋回流において、表面張力、重力加速度、および遠心力の効果を考慮した場合、平均流は安定であることが示唆された。