磁流體湍流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、在磁場(chǎng)作用下的磁流體動(dòng)力學(xué)（magnetohydrodynamic）研究對(duì)于核聚變反應(yīng)的發(fā)展有著非常重要的作用。核聚變反應(yīng)堆中包層中的流體金屬主要功能包括反應(yīng)堆中氚的增殖、產(chǎn)生聚變能后能量的轉(zhuǎn)換以及屏蔽反應(yīng)過程中產(chǎn)生的輻射，而磁場(chǎng)的存在是為了采用磁性約束將高溫等離子體約束在一定的范圍內(nèi)，包層內(nèi)的金屬流體在磁場(chǎng)作用下的流動(dòng)會(huì)引起磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)（MHD效應(yīng)），MHD效應(yīng)會(huì)改變流體的流線模式、流動(dòng)特性以及包層內(nèi)流體的壓降問題。液態(tài)金屬M(fèi)HD

2、流動(dòng)的研究與冶金、核聚變反應(yīng)等很多前沿科技密切相關(guān)。
　　金屬流體在包層中流動(dòng)，由于受到外加磁場(chǎng)的作用流體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與流動(dòng)方向相反的洛倫茲力，從而影響其流動(dòng)速度。管道流中有兩種不同的邊界層：哈特曼層和邊界層，兩個(gè)邊界層都很薄，但由于其通過很大的電流密度，所以要在其層內(nèi)劃分一定數(shù)量的網(wǎng)格，這樣就給所要研究的數(shù)值模擬大大增加計(jì)算量。
　　近年來，對(duì)于包層內(nèi)金屬流體MHD流動(dòng)的數(shù)值模擬研究有了很大

3、的發(fā)展，而人們研究的重點(diǎn)也從之前的層流逐漸轉(zhuǎn)到自然界和工程中更加普遍的湍流模型上。湍流是自然界中普遍存在的一種復(fù)雜流動(dòng)，但人們對(duì)于湍流機(jī)理的研究認(rèn)識(shí)以及MHD湍流的數(shù)值模擬方法仍處于探索階段，本文將采用大渦數(shù)值模擬方法對(duì)磁流體湍流進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　用開源CFD軟件OpenFOAM開發(fā)出適合本論文研究的磁流體湍流MHD求解器，先對(duì)開發(fā)出的MHD求解器進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證其正確性。用開發(fā)的MHD求解器對(duì)不同的算例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，我們可以看出

4、隨著計(jì)算的不斷進(jìn)行，流體的截面速度不斷呈現(xiàn)壓平的趨勢(shì)，中心速度下降，靠近側(cè)壁速度相應(yīng)升高。觀察方管截面速度云圖和速度矢量我們可以看出管道流內(nèi)湍流流體是有渦流出現(xiàn)，在垂直方向加上磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)對(duì)速度有個(gè)“壓平”趨勢(shì)，渦流也相應(yīng)減少，速度矢量更多的向四角以及拐角靠近哈特曼層的地方靠近。通過Y+=15的靠近壁面處瞬態(tài)速度可以很清楚看到湍流流體中的高速和低速區(qū)域，加上y方向磁場(chǎng)后湍流的高低速帶會(huì)沿著流動(dòng)方向被拉伸而呈現(xiàn)“長(zhǎng)條狀”。我們又對(duì)不同的算