导电方管磁流体湍流直接数值模拟研究

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磁流体有着广泛的应用领域,如冶金行业中的钢铁连铸以及热核聚变反应堆中的液态金属包层。热核聚变反应堆液态金属包层中的液态金属在流动中会受到外加强磁场的作用并产生感应电流,同时会产生影响其传热传质能力的磁流体动力学效应(Magnetohydrodynamic,MHD)。尤其当管壁为导电壁时,感应电流将在液态金属和导电固体壁中形成回路,所产生的感应电流强度远大于管壁绝缘时的感应电流强度,导致MHD效应增强。为了减小MHD效应,理想的办法是选用具备良好的电绝缘性能的涂层,阻碍液态金属与结构材料间的导电。但是包层内的高温金属流体容易对包层材料造成腐蚀,从而影响其电绝缘性,使管道壁面具有导电性。感应电流和流动的液态金属相互作用,在靠近平行于磁场的壁面附近形成高速射流,这种类似“M型”的速度分布具有强烈的流动不稳定性,且更易激发湍流,所以本文将对这种湍流状态展开研究。  湍流是自然界中最为普遍的一种复杂流动,在工程实际应用中,湍流流动问题更为常见。直接数值模拟(Direct numerical simulation,DNS)不需要对湍流建立模型,对流动的控制方程直接求解。DNS能在计算过程中实时监控流动的演化过程,也能够获得流场的所有信息,从理论研究角度而言,是一种理想的数值计算方法。因此,本文将采用直接数值模拟方法对导电方管磁流体湍流进行数值模拟研究。  本文首先在开源CFD软件OpenFOAM中开发基于边界耦合的低磁雷诺数磁流体流固耦合求解器,并对求解器的准确性和可靠性进行验证。在此基础上对导电方管磁流体湍流在不同参数下进行直接数值模拟研究:给出不同参数下截面电流分布,瞬时速度、平均速度的分布,XY截面涡量和速度梯度张量第二不变量Q的分布,比较了磁流体湍流和层流的差异;对比分析了导电性对平均速度、截面电流分布、YZ截面涡量与壁面摩擦系数的影响。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流的脉动具有明显的抑制作用,这种抑制作用随着磁场强度的增大而增强,“M型”速度分布更加明显,在平行层产生较大的射流。导电率的不同会导致感应电流强度的变化,导电率越大,电流强度越强,洛伦兹力增大,对核心区速度的抑制作用增强。管道壁面的导电性会对壁面摩擦系数产生影响,从而导致MHD压降的变化,导电率越小,壁面摩擦系数也越小。
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