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实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明：带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。     

FCI结构及其电导率对MHD效应影响实验研究

实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明：带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。     

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给出了通道插件管道MHD效应的初步实验结果,结果表明：中心区流速分布与数值预测的差别较大,且不同位置的管道截面流速分布不同,在压力平衡孔之间呈周期性变化;宏观的中心区与边缘区流量分配、MHD压降与简化理论预测结果相接近。这些数据将给FCI管道数值分析模型的完善和液态包层设计提供参考。     

高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应研究

液态金属磁流体动力学(MHD)效应是聚变堆液态包层需要解决的关键问题之一。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应,获得了强磁场下绝缘圆管内压降变化和流速分布的规律。研究结果表明,绝缘圆管内液态金属MHD压降随外加磁场强度的增加而线性增大,随管道内平均流速的增加也呈线性增长的关系,且压降实验结果与数值模拟及理论结果吻合较好;流速分布的特点为哈特曼层内流速变化剧烈,速度梯度大。基于压降的实验数据分析可得,强磁场环境下绝缘圆管中层流湍流的转换分界点约为Re/Ha=45。     

液态包层流动通道插件三维MHD效应数值模拟

用直接数值方法对高效液态锂铅包层内的金属流体三维MHD效应进行分析。用投影法对包含洛仑兹力源项的不可压Navier．Stokes方程求解,用相容守恒格式计算电磁力。研究了不同材料的流动通道插件（FCI）对金属磁流体流速、MHD压降和电流流线分布的影响。主要分析了以下三种情况：无FCI插件的通道内的流动状况;加入绝缘材料...     

带通道插件管道流磁流体动力学效应的数值模拟

采用二维完全发展流模型对聚变反应堆包层带通道插件和压力平衡槽隙的矩形磁流体管流的MHD效应进行数值模拟,分析速度分布,MHD压降随哈德曼数以及通道插件的电导率的变化规律.与无插件磁流体管流相比,带绝缘通道插件管流MHD压降显著降低,MHD压降随哈德曼数的增加而减小,通道插件材料的电导率增加MHD压降系数减小.压力平衡槽隙处的回流与通道插件的电导率有关.在宏观上计算结果与实验结果和简化理论结果一致.     

流体从分支管道流入引起的3维磁流体动力学效应

分支管道引起的磁流体动力学（MHD）效应是磁约束聚变堆液体金属包层或自冷包层的关键问题之一。然而,由于磁流体的复杂性和实验条件的限制,尤其2维（2D）和3维（3D）效应的实验数据还很少,分支管道的MHD效应实验结果尚未见报道,而且MHD压降理论值与实验值相差10％－25％,何种原因尚未深究。继开展流出分支管道引起的磁流体动力学（MHD）效应研究之后,我们利用国际合作渠道提供的仪器和国内唯一专门研究磁流体动力学效应液态金属回路,开展了3维和3维磁流体动力学效应实验研究。     

几种液体金属自由表面的MHD不稳定性实验研究

介绍了在核工业西南物理研究院的液态金属实验回路(LMEL)上获得的几种可供液态偏滤器-限制器系统选用的液体自由表面的磁流体动力学(MHD)效应不稳定性的实验结果。实验发现：自由表面射流在穿越梯度横磁场时射程变短、截面变扁平,但MHD效应稳定,调节射流与磁场的夹角可以控制射流的流动特性;自由表面膜流MHD效应存在三种现象,即层流、溪状流和湍流。层流是由多束射流打到固体表面产生的(简称“射-膜流”),从MHD效应角度考虑,“射-膜流”将是四种可选液态偏滤器-限制器系统的液体自由表面形式中最佳的选择。同时,探讨了从物理的角度来理解四种自由表面形式的MHD效应的现象。     

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基于感应电磁场方程发展了低磁雷诺数条件下充分发展液态金属管道流的数值模拟程序。为了校正程序,分别计算了两种工况：液态金属在全绝缘管道和部分绝缘管道中的流动,数值结果与Hunt和Shercliff的解析解吻合的很好,表明该程序具有很高的精度。最后利用发展的程序对液态金属钠钾合金在管壁材料为304不锈钢的全导电管道中的流动进行了数值模拟,并对流速分布和MHD压降结果与实验结果进行了比较,结果表明数值与实验结果吻合较好。     

耦合物理场中包层的流动传热和结构安全分析

包层结构是国际热核聚变实验堆(ITER)中的重要组件,它的力学行为与磁-热-流-固多物理场的耦合效应密切相关。本文采用有限体积法和有限元方法,分析了磁场强度和流体入口速度对包层内流动传热效应和包层中流道插件(FCI)结构安全性的影响。对磁场效应的分析表明,虽然MHD效应对流体存在不利影响,但磁场效应引起的M型速度分布改变了流体的传热形式,可以增加流体出口平均温度,提高热效率;同时,射流可降低第一壁最高温度,减小FCI最大结构热应力。此外,磁场效应还降低了FCI的热膨胀趋势,使得侧壁和Hartmann壁的法向位移有所减小。对于入口流速的分析表明,当速度增加时,PbLi流体出口平均温度降低,使其热效率降低,但流道向氦气中的热泄露有所减少,增加了出口输出热功率。当速度超过0.06 m/s时,出口热功率占中子生成热功率的比例将稳定在85%左右,同时考虑到第一壁和FCI的结构安全性,入口速度选择在0.06~0.10 m/s间可使包层达到良好的传热性能和安全性能。     

导电突扩管中磁流体管流的数值模拟

采用基于OpenFOAM环境自主开发的低磁雷诺数磁流体求解器,对45°和90°突扩矩形管中液态金属流体在受到垂直流向的外加磁场作用时的速度、感应电流、压力的分布及突扩位置处的MHD三维现象进行数值模拟.结果表明：磁场沿突扩方向时,由于无回流涡,45°比90°突扩管在肩部位置速度分布更优.哈特曼数增大,强射流和突扩结构,在突扩肩部位置引发流动的不稳定性.伴随感应电流的不稳定,流动不稳定发展到突扩位置上游.磁场沿垂直突扩方向时感应电流的三维效应显著.哈特曼数增大,MHD压降显著增大.同方向磁场和相同哈特曼数,不同突扩角度的三维无量纲压力梯度无明显差异.     

平行壁变形导电管磁流体层流数值模拟

采用自主开发的基于 OpenFOAM 环境下的磁流体求解器,对外加横向均匀磁场的导电方管、平行 壁内凹导电管以及平行壁外凸导电管内的磁流体进行了层流数值模拟。在壁面电导率为 0.01、流体雷诺数为 500、 哈特曼数为 500~2000 的条件下,研究了三种导电管中液态金属磁流体速度分布和压降。结果表明：平行壁内凹 和外凸对速度分布具有显著影响;在相同参数条件下,平行壁内凹管的压降大于方管,而平行壁外凸管的压降小 于方管。     

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采用FLUENT软件分别对外加均匀横向磁场的等截面三维充分发展液态金属管流的层流模型和低雷诺数湍流Lam/Bremhost(LB)模型进行了数值模拟,分析了外加磁场对普通方管LB模型速度分布和压降的影响。比较在相同哈特曼数下,层流和湍流模型方管截面上速度分布和管道中MHD压降。其中,对电流的计算采用磁感应方程来求得。数值模拟结果证明了用低雷诺数LB湍流模型解决方管磁流体流动的可行性。通过层流模型和湍流模型的对比可知,层流模型有较短的入口长度,但管内流体的压降却很大;而湍流模型管内速度更加平均化,管内压降较小,但管内入口长度较长。     

A consistent and conservative scheme for incompressible MHD flows at a low magnetic Reynolds number. Part III: On a staggered mesh

The consistent and conservative scheme developed on a rectangular collocated mesh [M.-J. Ni, R. Munipalli, N.B. Morley, P. Huang, M.A. Abdou, A current density conservative scheme for incompressible MHD flows at a low magnetic Reynolds number. Part I: on a rectangular collocated grid system, Journal of Computational Physics 227 (2007) 174–204] and on an arbitrary collocated mesh [M.-J. Ni, R. Munipalli, P. Huang, N.B. Morley, M.A. Abdou, A current density conservative scheme for incompressible MHD flows at a low magnetic Reynolds number. Part II: on an arbitrary collocated mesh, Journal of Computational Physics 227 (2007) 205–228] has been extended and specially designed for calculation of the Lorentz force on a staggered grid system (Part III) by solving the electrical potential equation for magnetohydrodynamics (MHD) at a low magnetic Reynolds number. In a staggered mesh, pressure (p) and electrical potential (φ) are located in the cell center, while velocities and current fluxes are located on the cell faces of a main control volume. The scheme numerically meets the physical conservation laws, charge conservation law and momentum conservation law. Physically, the Lorentz force conserves the momentum when the magnetic field is constant or spatial coordinate independent. The calculation of current density fluxes on cell faces is conducted using a scheme consistent with the discretization for solution of the electrical potential Poisson equation, which can ensure the calculated current density conserves the charge. A divergence formula of the Lorentz force is used to calculate the Lorentz force at the cell center of a main control volume, which can numerically conserve the momentum at constant or spatial coordinate independent magnetic field. The calculated cell-center Lorentz forces are then interpolated to the cell faces, which are used to obtain the corresponding velocity fluxes by solving the momentum equations. The “conservative” is an important property of the scheme, which can guarantee computational accuracy of MHD flows at high Hartmann number with a strongly non-uniform mesh employed to resolve the Hartmann layers and side layers. 2D fully developed MHD flows with analytical solutions available have been conducted to validate the scheme at a staggered mesh. 3D MHD flows, with the experimental data available, at a constant magnetic field in a rectangular duct with sudden expansion and at a varying magnetic field in a rectangular duct are conducted on a staggered mesh to verify the computational accuracy of the scheme. It is expected that the scheme for the Lorentz force can be employed together with a fully conservative scheme for the convective term and the pressure term [Y. Morinishi, T.S. Lund, O.V. Vasilyev, P. Moin, Fully conservative higher order finite difference schemes for incompressible flow, Journal of Computational Physics 143 (1998) 90–124] for direct simulation of MHD turbulence and MHD instability with good accuracy at a staggered mesh.