《研究磁流體自激發電現象的數值模擬方法》是依託山東大學，由許明田擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：研究磁流體自激發電現象的數值模擬方法
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：許明田
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
磁流體自激發電現象被認為是地球磁場、太陽磁場和其它星球及星系磁場的起因，並和快速增殖核反應堆的安全緊密相關，因此研究磁流體自激發電現象具有重要的科學意義和實用價值。現有對磁流體自激發電現象的數值模擬大都局限於周期性邊界條件和磁普朗特數不低於0.005的情況。本項目擬首先改造我們提出的數值模擬磁流體自激發電運動學階段的積分方程法，用於模擬真實邊界條件下給定非穩態流場引起的自激發電現象。然後基於我們提出的描述磁感應現象的積分方程組和Navier-Stokes方程，構建描述磁流體自激發電現象的新的控制方程，並據此建立模擬真實邊界條件和低磁普朗特數下的磁流體自激發電飽和階段的新的數值方法,編制具有自主智慧財產權的數值模擬磁流體自激發電的軟體。研究Taylor-Green流動引起的自激發電飽和階段臨界磁雷諾數隨雷諾數和磁普朗特數的變化情況及磁場的非線性分叉規律。
結題摘要
磁流體自激發電現象被認為是地球磁場和其它星球及星系的磁場的起因，但可導流體的湍流運動是如何形成自激發電現象的，目前仍是地球物理和天體物理的難點和熱點問題。磁流體自激發電現象關係到快速增殖反應堆和正在研發的磁約束受控核聚變反應堆的安全，因此研究磁流體自激發電現象具有重要的套用價值。經過本課題的研究，我們提出了數值模擬磁流體自激發電現象的積分方程法。發現法國VKS磁流體自激發電實驗得到的磁場只有環向分量，且實驗裝置中的驅動葉輪的高磁導率是該實驗產生這種軸對稱磁場的主要原因，這一結果表明在天體中有可能存在“看不見”的磁場。基於真實的邊界條件和平均場理論，套用積分方程法發現了柱形容壁的高電導率和磁導率易於引發小尺度湍流產生自激發電現象，且隨著容器壁的電導率和磁導率的增大，非各向同性湍流的自激發電現象會發生分叉現象，產生的磁場由m=1模態變為m=0模態。 在快速增殖核反應堆和正在研發的核聚變反應堆中，液態金屬用於冷卻劑，在這些反應堆中普遍採用了高磁導率的材料，我們這一發現表明要不用或慎用高磁導率的材料，否則會引發嚴重的安全問題。基於真實的邊界條件，發現大尺度的Beltrami流動在各向同性湍流的影響下傾向於產生軸對稱的磁場，且小尺度的Beltrami流動可引發Beltrami流動引起的磁流體自激發電產生的穩態磁場變為非穩態磁場，這一結果表明地球外核內的特定的小尺度的湍流可能會引發地球磁場由穩態短暫地變為非穩態，並產生南北極對調現象。提出了數值模擬對流擴散方程的新的高效和無條件穩定的數值方法，數值實驗表明對於對流占優的問題，即使套用粗格線這種方法亦不會產生非物理振盪，由於磁感應方程和Navier-Stokes方程均為對流擴散方法，因此該方法將在計算流體力學領域具有廣闊的套用前景。提出了數值模擬二維粘性磁流體動力學分叉現象的積分方程法，發現隨著電漿的粘性係數和磁擴散係數的減小，由Orszag-Tang渦產生的電流片會變薄，並利用該方法展示了小的磁島合併成大的磁島的非線性分叉現象。
