导电圆管磁流体管流数值模拟研究

论文摘要

由于液态金属包层具有结构设计简单,易于氚增殖提取等特点,已成为热核聚变反应堆包层设计中的重要分支。包层内的金属流体在聚变磁场环境中流动会产生磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)效应,MHD效应会影响管道中液态金属流体的重新分配,改变流体的流动状态,对液态包层的传质传热造成很大影响。影响MHD效应的因素包括哈特曼数、管道几何形状及电导率等,因而本文以此为出发点,研究圆管中磁流体流动与这些因素之间的关系及物理机制,对于工程实际中液态包层管路设计有着重要的参考价值。本文采用课题组对开源计算流体力学软件OpenFOAM进行二次开发的求解器,对导电圆管中磁流体流动进行了数值模拟研究。首先,对外加均匀磁场下的标准导电圆管在Re=21375,Ha=85.5～2000,C=0.0457～0.5参数范围内进行磁流体层流的数值模拟研究,计算结果表明,随着哈特曼数的增大,边界层厚度会明显变薄,且Robert层中的射流逐渐增强,到Ha=2000时,在管道截面沿z方向中心线上速度呈现“M”型分布;壁面电导率C会对无量纲速度轨迹会产生一定的影响,包括Robert层中的速度射流峰值。改变管道壁面的导电情况,使Hartmann层壁面导电而Robert层壁面绝缘,在Re=21375,Ha=85.5～1000范围内进行数值模拟,发现在Robert层会产生非常大的射流,速度分布更加接近于导电矩形管。进一步,改变管道的几何形状,在两侧Robert层开引流条(T型管)及在两侧Hartmann层和两侧Robert层各开两个引流条(F型管),分别进行磁流体层流的数值模拟研究,并与标准导电圆管(N型管)数值模拟结果进行对比,发现引流条的引入使得在Robert层产生明显的射流;F型管道流中的速度分布、电流分布、MHD压降与N型和T型管道均有明显不同。改变引流条深入流体区的深度,发现引流条深度越大,Robert层中产生的射流越大,且MHD压降会有所增加。最后,采用大涡模拟相干结构模型、采用循环边界条件对相同雷诺数不同哈特曼数下带引流条导电圆管和标准导电圆管磁流体湍流进行了数值模拟研究。从湍动能、速度分布、脉动速度均方根值、电流分布、涡结构分布、壁面摩擦系数等方面呈现了两种管道下的数值模拟结果,给出了 N型管中磁流体流动随着外加磁场的增强由湍流到层流的转变过程,在管道边界层壁面中心位置添加引流条能引起流体流动的不稳定性,进而激发出湍流,这对液态金属包层内部的热量传输是有益的,但管道壁面摩擦系数略有增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 ITER实验包层简介
•     1.1.2 液态包层中的MHD效应
•   1.2 磁流体管道流研究现状
•     1.2.1 理论分析研究现状
•     1.2.2 实验研究现状
•     1.2.3 数值模拟研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 磁流体动力学及CFD基本理论
•   2.1 磁流体动力学控制方程
•     2.1.1 磁流体基本控制方程
•     2.1.2 磁流体控制方程无量纲化
•   2.2 有限体积法简介
•   2.3 开源计算流体力学软件OpenFOAM简介
•   2.4 本文控制方程的数值计算方法
•   2.5 磁流体管道流边界层简介
•   2.6 磁流体湍流中相干结构模型简介
•   2.7 本章小结
• 第三章 标准导电圆管磁流体层流数值模拟研究
•   3.1 几何模型及物性参数
•   3.2 算例设置及网格布置
•   3.3 网格独立性检验
•   3.4 壁面全导电
•     3.4.1 电流和速度分析
•     3.4.2 压降分析
•   3.5 Hartmann层壁面导电Robert层壁面绝缘
•     3.5.1 电流和速度分析
•     3.5.2 压降分析
•   3.6 本章小结
• 第四章 带引流条导电圆管磁流体层流数值模拟研究
•   4.1 几何模型、算例设置及网格布置
•   4.2 速度分析
•   4.3 电流分析
•   4.4 压降分析
•   4.5 引流条深度对数值解的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 圆管几何形状对磁流体湍流影响数值模拟研究
•   5.1 物理模型及计算参数
•   5.2 网格布置
•   5.3 结果分析
•     5.3.1 湍动能分析比较
•     5.3.2 速度场分析比较
•     5.3.3 脉动速度均方根分析比较
•     5.3.4 壁面剪切应力分析比较
•     5.3.5 能谱分析比较
•     5.3.6 涡结构分析比较
•     5.3.7 电流分布比较
•     5.3.8 壁面摩擦系数分析比较
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 工作创新点
•   6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐超

导师: 毛洁

关键词: 效应,磁流体,圆管,引流槽

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: O361.3

总页数: 81

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