聚变堆包层因其适应等离子体形状而结构设计相对复杂,对于液态金属包层普遍存在几种共性的几何构件,如突扩突缩管道、弯管、分配收集箱等,磁流体在这些复杂形状管道内流动会出现显著不同特征的三维磁流体效应,是包层内最为严重的磁流体现象,同时影响到包层传热效果和氚的输运,也是液态金属包层共有的热工水力学问题。为支持聚变液态包层的研究与发展,本文对聚变液态锂铅包层中存在的复杂几何构件开展了磁流体动力学液态金属流动、传热和氚输运的数值模拟分析,从程序开发、程序性能分析和加速方法、复杂几何管道的MHD流动传热特性分析、氚输运关键参数敏感性分析四个方面展开分析,具体工作总结如下:(1)聚变环境下液态锂铅的流动过程是非常复杂的,受到诸如磁流体动力学(MHD)流的多种物理环境的耦合影响。围绕聚变液态锂铅增殖包层内存在着MHD流动、浮升力及氚输运耦合问题,基于OpenFOAM平台根据不同的边界耦合方法发展了多网格单矩阵和双边界耦合两种求解技术。开发了 MHD流动-热-电势-氣输运多物理场耦合程序,并分别开展Shercliff和Hunt算例理论验证、KIT突扩和MHD自然对流实验验证以及氚输运实验等相关验证。验证结果表明,所开发的程序适用于聚变环境下流体高Ha数和高Gr数特点,计算结果具有很好的准确性和可靠性,可用于液态包层流动、传热和氚输运分析。(2)基于所开发的耦合求解程序开展并行性能分析,开发GPU异构和全GPU加速求解器。针对CPU并行,分析并行加速性能影响因素,发现求解算法为求解快慢的主要因素,并行分块对并行效率影响明显。CPU和GPU求解器基于相同算例分别分析其在普通流体、MHD流体、不同求解算法和网格尺寸上的计算效率。结果显示,GPU适合于MHD问题求解,在大网格问题上加速明显。(3)开展液态锂铅包层中存在的复杂的几何构件内MHD流动和传热分析,针对于现有的液态锂铅包层结构进行了描述,归类出共同存在的复杂几何构件的特征。对聚变液态包层复杂几何流道,如弯管、分配联箱和带有氦气流道的管道壁面的MHD流动展开了数值模拟分析,基于管道MHD流动,展开传热耦合特性对比分析。结果显示,氦气流道使内部MHD流出现波动,壁面耦合效应使得壁面附近射流偏小或反向(传热)等。(4)氚输运数值模拟首先针对分配联箱管道进行氚浓度分析,随后针对管道流开展氣输运关键参数敏感性分析,包括流动速度、磁场大小、壁面导电性能、传热效应和氚扩散系数等因素对氣浓度和氣在壁面上的渗透率的影响。结果显示流动速度分布,特别是靠近壁面的速度分布对氚在壁面的渗透率的影响显著,MHD效应可减少壁面氚渗透率,随着磁场强度增加,氚在壁面上的渗透率近似于指数下降,氚的扩散系数在一定范围内影响的效果较为显著,且氚溶解度不确定性影响显著等。本文工作完成了聚变包层复杂几何构件下的MHD流动、传热和氚输运研究,在同一个平台开发了 MHD流动和传热两种边界耦合处理分析程序、氚输运分析程序和双扩散MHD流动分析程序,初步建立了液态锂铅增殖包层热工水力分析和氚输运分析研究工具,掌握了复杂几何流道对MHD流动和传热的影响特点,以及氚输运过程中的敏感参数特点。