U型矩形弯管磁流体管道流MHD效应及传热的数值模拟研究

发布时间：2020-05-10 14:12

【摘要】：液态金属具有高热导率、高比热容等优点,液态金属包层具有结构设计简单、氚增殖与提取容易等优势,因此液态金属包层是实验热核聚变反应堆包层模块(Test Blanket Module,TBM)的设计方案之一。在外加磁场作用下,金属流体在管道内运动时,因磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)效应会产生远大于普通水力学压降的MHD压降,并使管道内的流体重新分配。而核聚变包层处于磁-热-流-固等多耦合场的复杂环境下,金属流体在复杂包层管道结构中的流动状态将会更加复杂。管道几何形状、壁面电导率、雷诺数和哈特曼数均会对管道中的MHD效应产生影响。因此研究壁面电导率对复杂包层管道结构内金属流体的流动状态以及外热源下管道的传热特性,对TBM的设计方案具有重要参考价值。数值模拟是磁流体管道流研究中的一个重要手段。本文采用基于开源计算流体力学OpenFOAM环境自主开发的流固耦合低磁雷诺数磁流体求解器,对复杂的包层管道结构进行数值模拟研究和分析。首先对具有不对称壁面电导率分布的导电矩形管进行了数值模拟研究。研究发现当平行层固体壁的壁面电导率呈非对称分布时,流向截面平行层里的速度射流也成非对称分布,且速度射流的峰值随壁面电导率的增大而减小,管道中心位置沿流向的无量纲压力梯度随壁面电导率和截面长宽比的增加而增大。进一步对U型矩形弯管中,液态金属流体在均匀磁场作用下的流动特性进行了数值模拟研究。U型矩形弯管包括外管壁、隔板、流入通道、流出通道和连接通道五个部分。研究了外管壁和隔板壁的不同壁面电导率对液态金属流体的速度、感应电流、感应电势和压降分布特性的影响。当外管壁绝缘,隔板弱导电时,在隔板末端的流出通道内形成了由强逆压梯度产生的速度旋涡。随哈特曼数的增大,速度漩涡区域不断减小,连接通道内的压力波动变得更加剧烈并分别向流入流出通道蔓延。当外管壁弱导电时,在隔板两侧的平行层中形成了高速射流,速度分布极不对称,管道中的压降梯度比外管壁绝缘时高两个数量级,隔板壁的电导率显著影响管道内沿流向的压降分布。即外管壁和隔板的壁面电导率均对管道内金属流体流动产生影响,而外管壁的导电性对管道内的压降分布起决定性作用。以具有不同壁面电导率分布的U型矩形弯管的流场为基础,在不同外管壁侧加热源时管道的传热效率也不同。当热源位于流入通道的外管壁侧时,固体壁全导电的包层管道结构传热效率最好。而无论在与磁场方向相同或相反方向的外管壁侧加热源时,外管壁绝缘,隔板壁导电的管道结构传热效率最高。本文通过数值模拟的方法研究了不同固体壁的壁面电导率、哈特曼数、雷诺数及管道外加热源位置条件下,均匀磁场作用时液态金属在矩形管和U型管中的速度、感应电流、感应电势、压力分布和传热特性。数值模拟的结果为未来包层的设计与研发提供一定的参考。
【图文】：

速度分布,管道流,磁流体,速度分布

场方向的平行层壁面导电。在外加磁场作用下，金属流体在导电方管中流动时，受磁流逡逑体动力学效应的影响，使管道剖面上流体速度分布与普通流体层流状态剖面上的抛物线逡逑速度曲线完全不同，如图１．２邋（ｂ）所示。速度曲线的中心位置受洛伦兹力的作用被压平，逡逑壁面边界层变薄，速度曲线类似于湍流状态下管道截面上的速度分布，此速度分布与逡逑Ｈａｒｔｍａｎｎｆ２２，２３］平板流实验研究推导的解析解一致。逡逑图１．２邋（ａ）是管道流向截面上的感应电流流线分布。当固体壁绝缘时，感应电流通逡逑过平行层和哈特曼层形成闭合回路；当固体壁导电时，感应电流通过平行层、哈特曼层逡逑和导电固体壁形成闭合回路。而固体壁导电时产生的感应电流密度明显大于固体壁绝缘逡逑时产生的感应电流密度。当增大磁场强度时，核心区受到的抑制作用增强，在平行层内逡逑会出现速度射流，截面速度呈“Ｍ－型”速度分布。“Ｍ－型”速度分布是因为平行层内的逡逑感应电流与磁场方向平行不产生洛伦兹力，而管道中心的感应电流与磁场方向垂直，产逡逑生与流动相反的洛伦兹力

U型管

逦杭州电子科技大学硕士学位论文逦逡逑的ＨＣＬＬ邋（氦冷锂铅液态金属方案Ｈｅｌｉｕｍ邋Ｃｏｏｌｅｄ邋Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｌｅａｄ）包层Ｕ型弯管结构中逡逑l#的运输特性进行研究。当固体壁绝缘时，由于流体和固体壁温度之间的反向热梯度，逡逑通道中出现速度漩涡。而固体壁完全导电时，在高雷诺数下，涡流区主要出现在管道弯逡逑曲部位。由于无法实现固定某一壁面的温度，且在流固耦合模拟中，存在垂直于壁面的逡逑高温度梯度，涡流会受到阻尼。在热核聚变包层的复杂管道结构中，不同管道内流体的逡逑流动状态也不同，固体壁的导电性、截面的纵横比、雷诺数和哈特曼数等都对管道内的逡逑ＭＨＤ效应产生影，同时管道内流体的流动状态也对传热传质特性产生影响，理论分析逡逑和数值模拟研宄对实际工程中包层管道结构的设计具有重要意义。逡逑
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24

【参考文献】