《熱磁耦合傳輸機理及其非線性特性研究》是依託蘇州大學，由張曉暉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：熱磁耦合傳輸機理及其非線性特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張曉暉
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
利用電流的焦耳熱效應和磁效應加熱技術在核工業有重要的套用背景，所抽象出的有限空間內多物理場耦合驅動的自然對流流動和換熱問題及其中存在的非線性問題是傳熱學領域尚未充分研究的問題，本項目將：建立由電流焦耳熱與感應磁場相耦合的流動和換熱的數值模擬與非線性特性描述方法，發展運用Hilbert-Huang變換，判別數值解可能出現的振盪是物理振盪還是數值本身振盪方法，引用構形理論這一新理論建立熱磁耦合流動中特徵時間尺度，並與模式函式頻率對比，建立數值結果和物理問題之間的本質聯繫，揭示數值解的物理意義和流動形態轉變的物理機制，達到鑑別數值結果的非線性特性與流體固有的物理非線性特性是否一致目的，促進數值模擬分析理論發展，對於物理振盪，分析其中的非線性特性，結合有針對性的實驗驗證，尋求發生在熱磁耦合流動中的複雜換熱的規律，為核工業固體廢物玻璃化處理技術所需要的熱環境控制工藝，提供理論基礎和參考數據。
結題摘要
利用電流的焦耳熱效應和磁效應加熱技術在核工業有重要的套用背景，本項目對所抽象出的有限空間內多物理場耦合驅動的自然對流流動和換熱問題及其中存在的非線性問題進行研究： （1） 建立由電流焦耳熱與感應磁場相耦合的流動和換熱的描述方程、數值模擬方法，對穩態情況下的熱、磁及其耦合流動換熱進行了數值模擬和理論分析,理論分析與數值模擬結果相吻合； （2）評估了電流焦耳效應和電流自感應磁場-Lorentz力在動量方程中的影響及其相對大小，Ha2/(Ra/Pr) 物理意義表示為Lorentz力與熱浮升力之比，發現可進一步分解為磁雷諾數與普朗特數比值(Rem/Pr)與(cp/β)/(gL)乘積； （3） 在忽略電磁力的影響下，控制方程簡化為焦耳熱的控制方程，採用匹配漸近展開法求解出焦耳內熱引起對流的近似解析解，得到了溫度、速度分布的漸近解，並與數值模擬結果相比較，兩者趨勢一致； （4） 利用高解析度、高幀率的粒子圖像測速技術(PIV)對槽體內去離子水進行了一系列實驗，由於電解效應明顯，掩蓋了焦耳熱效應,發現採取加醋酸方法可以一定程度抑制電解效應，由高速攝影裝置觀測和記錄流動形態，獲得了槽體內的流場； （5） 對於穩定振盪輸出的一類問題的數值模擬結果，以精確性為目標，提出了振盪結果的收斂判斷方法和時間步長確定方法，提出了時間步長獨立性考核方法：不同時間步長下，隨著時間步長減小，空間同一點，在同一時刻值值非單調，拐點位置對應的時間步長就是最恰當的時間步長，同時，提出時間步長分割算法，結果驗證了方法的正確性，為獲得精確數值結果提供依據； （6） 以本項目的熱磁耦合流動換熱控制方程為出發點，分別成功獲取了熱驅動對流的特徵時間尺度和磁驅動流動的特徵時間尺度表達式，以此作為非穩態計算的時間步長的選取依據，所得時間尺度表達式含有控制方程的無量綱數：普朗特數、瑞利數和哈特曼數，建立起時間步長與控制方程物理量的聯繫，與原有選擇時間步長的純數學數值角度的方法完全不同，具有內在的物理意義，實際數值計算結果驗證了特徵時間尺度預測規律； （7） 對於採用數值方法所獲得的周期振盪解，採用Hilbert-Huang變換方法，確認振盪特性，將周期振盪解的頻率和特徵時間尺度進行比較，判別數值解可能出現的振盪是物理振盪還是數值本身振盪方法，所提方法對數值模擬結果可靠性研究和非線性區分等有一定價值。
