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。     

磁流体流动与传热的格子Boltzmann模拟

考虑外加磁场下磁流体中纳米磁性粒子所受的各种作用力,建立了用于模拟磁流体流动与传热特性的两相格子Boltzmann模型,模拟了外加不同方向梯度磁场下平板间磁流体的流动与传热过程,计算了磁流体与平板间对流换热的Nusselt数,分析了磁场梯度方向、大小对Nusselt数的影响．     

磁场作用下熔盐管内流动传热特性的数值研究

本文基于磁流体动力学模型,通过数值模拟的方法,研究了垂直外部磁场对熔盐在绝缘管内流动传热特性的影响,考察了速度、湍流强度和Nu等参数随磁场变化的关系。结果表明,磁场作用会使流动分布出现各向异性,导致湍流度和主流速度降低,垂直于磁场方向的Hartmann层的速度及湍流度提高,随着磁场强度增大,这种趋势更明显。在均匀磁场和正梯度磁场作用下,管壁平均Nu数有所提高,而逆梯度磁场作用下的管壁平均Nu数有所减弱。     

横向磁场作用下Taylor-Couette湍流流动的大涡模拟

采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette湍流流动进行数值模拟,以研究其运动规律.计算模型为无限长度,半径比为1/2.雷诺数分别选取为3000和5000,磁场加载方式为全局磁场,哈特曼数取值0—50.对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析,并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进行对比.结果表明:磁场对流场有显著的抑制作用,扭曲的泰勒涡在横向磁场的作用下破裂成小尺度涡结构,并沿磁场方向排列;在外圆筒和垂直于磁场方向的区域,磁场抑制效果较强;随着雷诺数的增加,磁场抑制效果减弱,在流场不同区域,流动呈现出不同的特点.与轴向磁场相比,横向磁场对流场的抑制效果较弱,流场分布呈现出明显的各向异性.     

交叉三角形波纹板流道在过渡流状态下的传热与阻力特性

交叉三角形波纹板流道中流动常处于过渡态。本文研究了交叉波纹板中的周期性完全发展流动及热传递。利用周期性降低几何流道的复杂性以及简化模拟对象。为了模拟这个拓扑结构中的过渡流,利用了已经验证的低雷诺数k-ε,湍流模型来说明流动中的湍流流动。得到了三维复杂计算区的温度、速度以及湍流场。计算了在恒壁温和恒热流密度两种边界条件下的摩擦系数和平均Nusselt数及其与雷诺数的关系。湍流中心从上层壁面的波纹处移向下层壁面的波纹处并逐步增强。     

微通道中一类生物流体在高Zeta势下的电渗流及传热特性

在高壁面Zeta势下,研究滑移边界条件下满足牛顿流体模型的一类生物流体的电渗流动及传热特性,流体在外加电场、磁场和焦耳加热共同作用下流动.首先,在不使用Debye-Hückel线性近似条件时,利用切比雪夫谱方法给出非线性Poisson-Boltzmann方程和流函数满足的四阶微分方程及热能方程的数值解,将所得结果与利用Debye-Hückel线性近似所得结果进行比较,证明本文数值方法的有效性.其次,讨论电磁环境下壁面Zeta势、哈特曼数H、电渗参数m、滑移参数β对流动特性、泵送特性和捕获现象的影响,并探究焦耳加热参数γ和布林克曼数Br等参数对传热特性的影响.结果表明,壁面Zeta势、电渗参数m、滑移参数β的增大对流体速度有促进作用,而哈特曼数H的增大会抵抗流体流动.研究进一步表明,焦耳加热参数γ和布林克曼数Br的增大会导致温度升高.     

磁流体结构的Lattice-Boltzmann方法模拟

本文运用Lattice-Boltzmann(LB)方法建立了宏观静止磁流体模型,提出磁性聚集体概念,充分考虑了磁性颗粒受到的各种内力与外力包括重力、布朗力、vanderWaals相互作用及静磁相互作用,对无外加磁场及外加竖直均匀磁场时磁流体的结构进行了模拟,并分析了磁能与热能之比对磁流体系统中粒子分布形态的影响。模拟结果表明:无外加磁场时磁流体结构易失去稳定性,外加均匀磁场时磁流体粒子沿外磁场方向排列,随着磁热能比例的增大,外磁场对粒子分布的影响逐渐明显。     

变截面微管道中高zeta势下幂律流体的旋转电渗滑移流动

本文研究高zeta势下具有Navier滑移边界条件的幂律流体,在变截面微管道中的垂向磁场作用下的旋转电渗流动.在不使用Debye–Hückel线性近似条件时,利用有限差分法数值计算外加磁场的旋转电渗流的电势分布和速度分布.当行为指数n=1时得到的流体为牛顿流体,将本文的分析结果与Debye–Hückel线性近似所得解析近似解作比较,证明本文数值方法的可行性.除此之外,还详细讨论行为指数n、哈特曼数Ha、旋转角速度?、电动宽度K及滑移参数β对速度分布的影响,得到当哈特曼数Ha>1时,速度随着哈特曼数Ha的增加而减小;但当哈特曼数Ha <1时, x方向速度u的大小随着Ha的增加而增加.     

Induced electric current-based formulation in computations of low magnetic Reynolds number magnetohydrodynamic flows

We use the induced electric current as the main electromagnetic variable to compute low magnetic Reynolds number magnetohydrodynamic (MHD) flows. The equation for the induced electric current is derived by taking the curl of the induction equation and using Ampère’s law. Boundary conditions on the induced electric current are derived at the interface between the liquid and the thin conducting wall by considering the current loop closing in the wall and the adjacent liquid. These boundary conditions at the liquid–solid interface include the Robin boundary condition for the wall-normal component of the current and an additional equation for the wall potential to compute the tangential current component. The suggested formulation (denominated j-formulation) is applied to three common types of MHD wall-bounded flows by implementing the finite-difference technique: (i) high Hartmann number fully developed flows in a rectangular duct with conducting walls; (ii) quasi-two-dimensional duct flow in the entry into a magnet; and (iii) flow past a magnetic obstacle. Comparisons have been performed against the traditional formulation based on the induced magnetic field (B-formulation), demonstrating very good agreement.     

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.     

Hall effect on Hartmann flow and heat transfer of a Burgers' fluid

The effect of Hall current on the steady magnetohydrodynamics (MHD) flow of an electrically conducting, incompressible Burgers' fluid between two parallel electrically insulating infinite planes is studied. The MHD flow is generated by applying constant pressure gradient. An external uniform magnetic field normal to the disks is applied. The disks are kept at two different constant temperatures. Exact solutions are obtained for the governing momentum and energy equations. The effects of Hartmann number M, Reynolds number Re, Prandtl number Pr, Eckert number Ec, pressure gradient dp/dx and Hall parameter η are examined.     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

Free convection effects on HMD horizontal channel flow with Hallcurrents

An exact solution of MHD channel flow between two horizontal parallel plates taking into account free convection currents and the Hall currents is presented. Solutions for the primary and secondary velocity, the induced magnetic field, the skin friction, and the temperature are derived. The velocity field and magnetic field are shown on graphs, and the values of the skin friction and the rate of heat transfer are indicated on tables. The results are discussed in terms of the hall parameter, the Hartmann number, and the Grashof number     

方管锂铅磁流体氚增殖剂中的氚输运模拟

利用COMSOL Multiphysics软件实现磁场、导电流体、氚输运的多物理场耦合,研究了在强磁场下3维方管中锂铅流体内的氚输运及其分布。通过计算得到,锂铅流体在平行磁场方向的导电壁侧形成了射流,而在哈德曼壁侧及流体的芯部区域流动滞缓;射流的强对流效应使得在导电壁侧具有较低的氚浓度,而在哈德曼壁面侧及流体芯部具有较高的氚浓度累积,形成了不对称的氚浓度体分布。     

MHD shear flows with non-constant transverse magnetic field

Viscous conducting flows parallel to a fixed plate are studied. In contrast with the Hartmann setting, the problem is not linearized near a fixed transverse magnetic field, although the field tends to be transversal far from the wall. While general solutions may be formally obtained for all cases, their behavior is far more clear when the magnetic Prandtl number equals one. We consider two different instances: a fixed magnetic field at the wall, or an insulating sheet. The evolution of the flow and the magnetic field both near the plate and far from it are detailed, analyzing the possibility of reverse flow and instability of the solutions.