导电圆管磁流体管流数值模拟研究
发布时间：2021-06-20 09:44
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...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１ＩＴＥＲ装置剖面图??ＩＴＥＲ包层是核聚变反应装置中的重要部件，分为两种类型：实验包层和屏蔽包层［２］
??图１．２所示为在垂直于流体流动方向的磁场环境下方管内的磁流体速度分布示意图。??２?〇??图１．２磁场作用下的管道截面电流及速度分布示意图??现在已有一些针对液态包层中管道流的研究，大多为层流流动或者小哈特曼数揣流??流动的情况。但是实际在核聚变堆中是一种强磁场的状态，而强磁场对数值模拟中计算??资源要求比较高。强磁场一方面可以在管道平行层形成较强射流从而影响流体的稳定??性，有利于激发出湍流，对包层的传质传热有一定的促进作用；另一方面又会抑制液态??金属流动，使之层流化。磁流体揣流与层流的主要差别表现在压力梯度、速度分布、传??热传质等几个方面，因此针对这几个方面的研究对液态包层的研究设计具有一定的参考??意义。??ＢｅＣｈｅｒ［１２＿１３］对比了半圆柱形槽和ｖ形槽的减阻效果，发现ｖ形槽要高１０％左右，但??其减阻降压的内在机理无法得到解释。魏进家等［１４］在管道流向方向排布ｖ形沟槽进行了??湍流减阻研宄，并阐述了减阻机理：一是流向涡可轻易地被沟槽尖峰所破坏，涡的横向??运动受到抑制；二是受限于流向排列沟槽的开口尺寸
１．２．１理论分析研究现状??著名的Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｆｌｏｗ是由Ｈａｒｔｍａｎｎｎ＞１（）｜通过研究无限平板流时推导的磁流体流场??的解析形式。如图１．２所示，使外加磁场垂直于流体流动方向，流动的导电流体在外加??磁场的作用下产生感应电流，进一步磁场又与中心区的感应电流发生相互作用产生阻碍??流体流动的洛伦兹力，使中心区速度曲线被压平，壁面附近流体边界层明显变薄，与速??度曲线呈类似抛物线形的普通流体形成巨大差异。??Ｌ＿ＪＬ??图１．２?Ｈａｒｔｍａｎ?ｆｌｏｗ流向速度分布图??５１１＾也扭１７］于上世纪５０年代，研宄了矩形和圆形管道（假定都是绝缘管道）内液态??金属流体的流动特点。他假定磁场是均匀的且垂直于流体流动方向。将速度场分成了三??个区域，分别是：哈特曼层（Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｌａｙｅｒ）、平行层（Ｐａｒａｌｌｅｌ?ｌａｙｅｒ）、核心区。并通??过解析形式推导了?Ｈａｒｔｍａｎｎ层近似厚度为平行层为ｌ／Ｖ＾＂。??＾１泣［１８＿１９］通过理论分析研宄了导电矩形管道中液态金属流体的流动。定义外加磁场??与流体流动方向垂直。分别对与磁场方向平行的壁面导电而与磁场方向垂直的壁面绝缘??及与磁场方向垂直的壁面导电而与磁场方向平行的壁面绝缘两种情况进行研宄。给出了??速度、压力的解析解，且在后一种情况的研究中给出了重要的“Ｍ”型速度分布。速度??分布呈现该种形态的原因是：管道中磁流体特殊的电流分布，在流体中心区电流方向垂??直于外加磁场而受到电磁力与流动方向相反，阻碍流体流动，平行层中的电流方向平行??于外加磁场
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证[J]. 毛洁,王浩,刘克,王盛,Claude B Reed. 核聚变与等离子体物理. 2018(01)
[2]可控核聚变的研究现状及发展趋势[J]. 武佳铭. 电子世界. 2017(21)
[3]磁流体管流的直接数值模拟研究[J]. 谭忠权,毛洁,刘克. 核聚变与等离子体物理. 2016(04)
[4]表面活性剂湍流减阻研究进展[J]. 魏进家,黄崇海,徐娜. 化工进展. 2016(06)
[5]磁流体湍流及数值模拟研究综述[J]. 范月华,蒋崇文,高振勋,李椿萱. 力学与实践. 2016(01)
[6]聚变堆液态包层磁流体动力学效应的研究现状与发展[J]. 汪卫华,陈侠. 国防科技. 2012(01)
[7]低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型[J]. 陈智,李椿萱,张劲柏. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(08)
[8]通道插件管道MHD效应初步实验结果[J]. 许增裕,潘传杰,张秀杰,赵丽,张键,杨国骥. 核聚变与等离子体物理. 2009(01)
[9]ITER实验包层计划综述[J]. 冯开明. 核聚变与等离子体物理. 2006(03)
[10]CFD通用软件综述[J]. 姚征,陈康民. 上海理工大学学报. 2002(02)
硕士论文
[1]开源软件OpenFOAM下投影算法实现[D]. 刘克.杭州电子科技大学 2014
本文编号：3238958
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１ＩＴＥＲ装置剖面图??ＩＴＥＲ包层是核聚变反应装置中的重要部件，分为两种类型：实验包层和屏蔽包层［２］
??图１．２所示为在垂直于流体流动方向的磁场环境下方管内的磁流体速度分布示意图。??２?〇??图１．２磁场作用下的管道截面电流及速度分布示意图??现在已有一些针对液态包层中管道流的研究，大多为层流流动或者小哈特曼数揣流??流动的情况。但是实际在核聚变堆中是一种强磁场的状态，而强磁场对数值模拟中计算??资源要求比较高。强磁场一方面可以在管道平行层形成较强射流从而影响流体的稳定??性，有利于激发出湍流，对包层的传质传热有一定的促进作用；另一方面又会抑制液态??金属流动，使之层流化。磁流体揣流与层流的主要差别表现在压力梯度、速度分布、传??热传质等几个方面，因此针对这几个方面的研究对液态包层的研究设计具有一定的参考??意义。??ＢｅＣｈｅｒ［１２＿１３］对比了半圆柱形槽和ｖ形槽的减阻效果，发现ｖ形槽要高１０％左右，但??其减阻降压的内在机理无法得到解释。魏进家等［１４］在管道流向方向排布ｖ形沟槽进行了??湍流减阻研宄，并阐述了减阻机理：一是流向涡可轻易地被沟槽尖峰所破坏，涡的横向??运动受到抑制；二是受限于流向排列沟槽的开口尺寸
１．２．１理论分析研究现状??著名的Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｆｌｏｗ是由Ｈａｒｔｍａｎｎｎ＞１（）｜通过研究无限平板流时推导的磁流体流场??的解析形式。如图１．２所示，使外加磁场垂直于流体流动方向，流动的导电流体在外加??磁场的作用下产生感应电流，进一步磁场又与中心区的感应电流发生相互作用产生阻碍??流体流动的洛伦兹力，使中心区速度曲线被压平，壁面附近流体边界层明显变薄，与速??度曲线呈类似抛物线形的普通流体形成巨大差异。??Ｌ＿ＪＬ??图１．２?Ｈａｒｔｍａｎ?ｆｌｏｗ流向速度分布图??５１１＾也扭１７］于上世纪５０年代，研宄了矩形和圆形管道（假定都是绝缘管道）内液态??金属流体的流动特点。他假定磁场是均匀的且垂直于流体流动方向。将速度场分成了三??个区域，分别是：哈特曼层（Ｈａｒｔｍａｎｎ?ｌａｙｅｒ）、平行层（Ｐａｒａｌｌｅｌ?ｌａｙｅｒ）、核心区。并通??过解析形式推导了?Ｈａｒｔｍａｎｎ层近似厚度为平行层为ｌ／Ｖ＾＂。??＾１泣［１８＿１９］通过理论分析研宄了导电矩形管道中液态金属流体的流动。定义外加磁场??与流体流动方向垂直。分别对与磁场方向平行的壁面导电而与磁场方向垂直的壁面绝缘??及与磁场方向垂直的壁面导电而与磁场方向平行的壁面绝缘两种情况进行研宄。给出了??速度、压力的解析解，且在后一种情况的研究中给出了重要的“Ｍ”型速度分布。速度??分布呈现该种形态的原因是：管道中磁流体特殊的电流分布，在流体中心区电流方向垂??直于外加磁场而受到电磁力与流动方向相反，阻碍流体流动，平行层中的电流方向平行??于外加磁场
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证[J]. 毛洁,王浩,刘克,王盛,Claude B Reed. 核聚变与等离子体物理. 2018(01)
[2]可控核聚变的研究现状及发展趋势[J]. 武佳铭. 电子世界. 2017(21)
[3]磁流体管流的直接数值模拟研究[J]. 谭忠权,毛洁,刘克. 核聚变与等离子体物理. 2016(04)
[4]表面活性剂湍流减阻研究进展[J]. 魏进家,黄崇海,徐娜. 化工进展. 2016(06)
[5]磁流体湍流及数值模拟研究综述[J]. 范月华,蒋崇文,高振勋,李椿萱. 力学与实践. 2016(01)
[6]聚变堆液态包层磁流体动力学效应的研究现状与发展[J]. 汪卫华,陈侠. 国防科技. 2012(01)
[7]低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型[J]. 陈智,李椿萱,张劲柏. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(08)
[8]通道插件管道MHD效应初步实验结果[J]. 许增裕,潘传杰,张秀杰,赵丽,张键,杨国骥. 核聚变与等离子体物理. 2009(01)
[9]ITER实验包层计划综述[J]. 冯开明. 核聚变与等离子体物理. 2006(03)
[10]CFD通用软件综述[J]. 姚征,陈康民. 上海理工大学学报. 2002(02)
硕士论文
[1]开源软件OpenFOAM下投影算法实现[D]. 刘克.杭州电子科技大学 2014
本文编号：3238958
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