论文部分内容阅读
热核聚变液态包层中液态金属在强磁场作用下流动,液态金属受到强磁场的影响产生感应电流,感应电流与磁场相互作用,产生洛伦兹力,引起磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)效应。MHD效应使包层中液态金属的流动状态发生改变,影响包层的传热和物质运输的效率。MHD效应与雷诺数、哈特曼数、电导率以及几何形状等因素有关,因此厘清MHD效应产生的物理机制及其影响,对工程中包层的设计具有重要的指导意义。本文首先选择大涡模拟方法CSM模型、采用Map湍流边界条件对均匀磁场下绝缘圆管中磁流体湍流进行数值模拟。由模拟结果分析可知,管道中磁流体速度和电流的分布特点,磁场对湍流的脉动速度的抑制具有各向异性;壁面的摩擦系数与Zikanov模拟和Hartmann实验结果基本一致。结果表明了上述采用的圆管网格、边界条件、LES和CSM模型是可行的,为后续圆管磁流体湍流的数值模拟提供参考。进一步对均匀磁场下导电圆管中磁流体层流进行数值模拟研究。模拟结果表明,相同雷诺数和壁面电导率条件下,哈特曼数越大,速度边界层变得越薄;核心区速度受到磁场的抑制作用越强,速度变得越小,核心区Robert层里流体向壁面处流动。由于圆形管道自身几何形状光滑,哈特曼数较小时(Ha=160、320)Robert层里的“M型”速度射流不明显;当哈特曼数较大时(Ha=1217)“M型”速度射流开始显现。同时哈特曼数越大产生的MHD压降越大。根据ALEX实验进行模拟验证非均匀磁场下导电圆管层流,速度与压力的模拟结果与实验结果吻合很好。表明了课题组自主开发的低磁雷诺数下的流固耦合求解器具有很高的精度和可靠性,可用于非均匀磁场下磁流体管道流的数值模拟研究。最后对非均匀磁场下导电圆管中磁流体湍流进行大涡数值模拟研究。模拟结果表明,速度射流不稳定性首先出现在Robert层,进而随着磁场强度的减弱,向下游逐渐激发出强度更强的湍流。流向压差和横向压差的峰值都随哈特曼数的增大而增大。变化的磁场在流向方向上产生电流的三维效应并且使管道中的涡结构也逐渐发生变化,磁场上升段和下降段,靠近壁面处出现了特殊的波状似的涡结构。