随着人类社会和经济的发展,石油、煤炭、天然气等不可再生资源会逐渐衰竭直至耗尽。为了应对世界可能在未来面临的能源危机,托卡马克装置项目被提出。相较于传统的核发电站使用的核裂变反应技术,托卡马克装置利用以氢同位素氘和氚的原子核实现的核聚变反应具有效率更高、放射性污染更小、对环境污染更小、能源可再生等优点。作为托卡马克装置项目的子项目,辉光放电清洗(GDC)电极旨在清除第一壁表面的核燃料粒子和其它的杂质粒子,为高约束性能等离子体提供清洁、低再循环的第一壁。在运行期间GDC电极的电极头部分直接作为托卡马克装置内腔壁的一部分,会接收到包括中子热及辐射和电荷交换热的较大热负荷,导致电极体温度过高,产生过大的热应力,使电极发生不利的形变,破坏结构的稳定性。所以需要在电极体内部钻取流道,通过在流道内循环冷却水以保证GDC电极满足托卡马克装置关于电极体最高温度、冷却液进出口温差、压力降,冷却液平均流速等要求。本文针对GDC电极,设计了多种具有不同结构的GDC电极冷却流道系统,并通过商用计算流体力学软件Fluent及有限元分析软件ANSYS Workbench中的Static Structural模块进行单向流固耦合,对不同设计下冷却流道系统的温度及应力进行数值模拟,研究了流道区域数及各区域流道排数对冷却流道系统的散热效果和各限制参数的影响。分析结果表明具有四个区域,并且第一区域具有12排流道,第二区域具有7排,第三区域具有双排的冷却流道设计在研究范围内具有更好的散热效果并且满足ITER对各参数的要求。在此基础上,本文利用数值模拟的方法进一步研究了各区域流道结构尺寸对GDC电极冷却流道系统传热效果的影响。分析结果表明减小第一区域冷却流道厚度及宽度,增大电极体最外壁顶边的倒圆角半径及第二、三、四区域流道管径均可降低GDC电极的最大温度及平均温度。其中减小第一区域冷却流道厚度、宽度及后排区域管径会增大冷却液进出口压力降及平均流速,对冷却水进出口温差影响较小,而增大电极体最外壁顶边倒圆角半径对这几类参数影响均很小。综合这些影响因素对冷却流道系统结构进行了优化设计,在保证足够安全裕量的前提下有效降低了GDC电极的最大温度及平均温度。针对优化后的GDC电极冷却流道设计,利用数值模拟的方法研究了GDC电极在不同工况下所受热负荷及冷却水入口温度大小对电极体各限制参数的影响。分析结果表明,在等离子体操作期GDC电极冷却流道系统最大可承受中子热的热流密度为17MW/m~3,最大可承受辐射和电荷交换热的热流密度为0.525MW/m~2,并且增大辐射和电荷交换热对GDC电极最大温度提升的影响更大。GDC电极冷却流道系统最大可承受冷却水进口温度为170℃。在烘烤期GDC电极冷却流道系统最大可承受辐射热的热流量为3100W,而最大可承受冷却水进口温度为240℃。