磁流體湍流直接數值模擬研究

《磁流體湍流直接數值模擬研究》是依託杭州電子科技大學，由毛潔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：磁流體湍流直接數值模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：毛潔
• 依託單位：杭州電子科技大學

項目摘要

液態金屬磁流體湍流研究對於聚變反應堆液態金屬包層的套用和連續鑄鋼具有重要的意義。液態金屬包層套用中，流體的流動狀態對包層的傳熱傳質具有顯著的影響。外加磁場對湍流起抑制作用，但平行層中的高速射流又會產生新的不穩定性。因此磁流體管流在高雷諾數下一般具有層流-湍流共存的狀態。磁流體中的湍流具有顯著的各向異性。同時不同方向的磁場對湍流中出現的二次流的影響也不同。直接數值模擬方法是研究磁流體湍流的理想方法。申請人擬在此前工作的基礎上，基於已經開發的三維磁流體管流的數值模擬程式，進一步開發聚變反應堆液態金屬包層參數條件下的磁流體湍流的直接數值模擬程式。研究聚變堆包層參數條件下均勻磁場下矩形管中磁流體湍流的發生，層流化，二次流，管壁導電率和幾何因素對磁流體湍流的影響。這項研究將為研究提高液態金屬包層的傳熱效率打下基礎，為我國液態金屬包層的設計提供更多的依據。

結題摘要

液態金屬磁流體的研究對聚變反應堆液態金屬包層的套用具有重要意義。項目採用數值模擬方法對液態金屬磁流體湍流進行了數值模擬研究。主要研究內容和重要結果有：（1）在OpenFOAM環境下自主開發了低磁雷諾數磁流體湍流的數值數值程式。程式基於投影算法和相容守恆算法，因而可用於聚變參數下磁流體的求解，同時其求解效率高於基於PISO算法求解器。開發了直接數值模擬程式，大渦數值模擬程式，發展了磁流體雷諾時均k-w模型。所開發的程式通過數值模擬結果與經典的解析解、實驗結果和直接數值模擬結果的比較進行了驗證。（2）採用直接數值模擬方法和大渦數值模擬方法對絕緣矩形管磁流體湍流進行了數值模擬。研究結果表明，對於絕緣管道，湍流向層流的轉變取決於參數Re/Ha。動態亞格子模型所預測的湍流向層流轉變參數與直接數值模擬結果完全一致，而其所用的格線為直接數值模擬格線的一半。絕緣矩形管中湍流隨外加磁場強度的增強其流動狀態將依次為完全湍流，單側湍流以及層流。管道壁面的摩擦係數將在流動狀態為單側湍流時急速下降至最低，轉變為層流後壁面摩擦係數隨磁場的增加而線性增加。（3）對Hunt flow II的三維數值模擬結果表明，垂直於外加磁場和流向的橫向速度大小對流向速度分布有顯著影響。橫向速度的大小與雷諾數、哈特曼數及壁面導電率有關。（4）對導電管磁流體湍流的直接數值模擬結果表明，平行層中的高速射流將引發顯著的二次流。湍流中射流和二次流的強度均隨壁面導電率的增加而下降。聚變參數條件下導電管中的磁流體湍流的流動狀態也存在單側湍流。導電管磁流體湍流模擬中得到的平均壁面摩擦係數小於層流模擬結果，層流和湍流的結果有顯著差異。（5）在絕緣管平行壁上加入三角形引流槽可有效提高湍動能強度，但其壁面摩擦係數比標準矩形管略有增加。項目的完成豐富和完善了現有的磁流體湍流理論，為進一步研究聚變參數下磁流體湍流的傳熱和液態金屬包層的結構設計提供了理論依據。