润湿性及磁场对液态金属自由表面膜流流动状态的影响

通过数值模拟及实验研究了润湿性及磁场对液态金属膜流流动状态的影响。首先,通过数值模拟研究了润湿性对膜流流动状态的影响。结果表明,当润湿性不好时,液态金属膜流容易发展为溪状流而不能完全覆盖底壁,入口膜厚较薄时更易发展为溪状流;在入口膜厚及其它情况相同时,密度越小越易发展为溪状流。其次,研究了磁场对膜流流动状态的影响。结果表明,槽道与流体润湿性不好时,有磁场情况下液态金属膜流覆盖底壁的区域较无磁场时增加,强磁场对膜流的湍流有抑制作用。最后,液态金属膜流实验结果表明,润湿性不好时,镓铟锡合金膜流容易收缩发展为溪状流,这与数值模拟的结果是一致的。上述研究结果对磁约束聚变堆液态第一壁的设计具有指导意义。     

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通过数值模拟及实验研究了润湿性及磁场对液态金属膜流流动状态的影响.首先,通过数值模拟研究了润湿性对膜流流动状态的影响.结果表明,当润湿性不好时,液态金属膜流容易发展为溪状流而不能完全覆盖底壁,入口膜厚较薄时更易发展为溪状流;在入口膜厚及其它情况相同时,密度越小越易发展为溪状流.其次,研究了磁场对膜流流动状态的影响.结果表明,槽道与流体润湿性不好时,有磁场情况下液态金属膜流覆盖底壁的区域较无磁场时增加,强磁场对膜流的湍流有抑制作用.最后,液态金属膜流实验结果表明,润湿性不好时,镓铟锡合金膜流容易收缩发展为溪状流,这与数值模拟的结果是一致的.上述研究结果对磁约束聚变堆液态第一壁的设计具有指导意义.     

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。     

聚变堆同芯母管流速分布的MHD效应研究

磁约束聚变堆中的液态金属包层等部件处于磁场之中,在磁流体动力学效应的影响下,液态金属的流速分布及压降会随磁场不同而改变。本文基于相容守恒格式,对液态锂铅包层中的重要结构同芯母管,在磁场作用下的流速分布进行了数值模拟。对不同方向加磁场的计算结果表明,磁场会对其所在方向上的流动产生拉平效应,对于同芯母管而言,沿宽度方向所加的磁场能使流量在不同出口管道之间均匀分布,沿高度方向所加的磁场主要使同一出口管道中流速均匀分布,而对于管道间的流量分布作用较小。     

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分析了磁流体力学效应对液态金属自由表面射流稳定性的影响。从射流的感应电势、电流、速度等方面,解释射流在磁场中稳定的原因。数值计算结果验证了理论分析。     

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。     

数值模拟磁场作用下气泡在导电流体中运动

在自适应网格上,采用VOF方法捕捉界面,相容守恒格式计算电流及电磁力,发展了金属流体自由界面MHD数值方法。通过数值模拟磁场作用下不同Hartmann数的气泡在导电溶液中的运动和变形,分析磁场对气泡以及流场的影响,同时给出诱导电场和电流的分布。为进一步深入研究冶金及热核聚变相关的金属流体在强磁场作用下的自由界面流打下基础。     

水平磁场对液态金属自然对流的影响

在聚变堆中,由于大温差和强磁场的影响,液态金属自然对流呈现出了不同于常见流体的流动和换热特征。本文基于自主研发的磁流体计算程序,通过三维直接数值模拟,研究了平行于温度梯度的水平磁场对封闭方腔中液态金属流动与传热的影响。分析了不同磁场强度下,方腔内的流动与传热,包括主环流、二次流、温度分布及Nu数分布等,并从机理上解释了磁场的影响。结果表明平行温度梯度的水平磁场对自然对流有抑制作用,磁场越强,抑制越明显,传热效率越低。     

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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。     

绕圆柱体自由表面磁流体流动和传热的研究

本文对在不同雷诺数下,绕圆柱体的磁流体自由表面流动及传热进行了模拟,分析了磁场对绕流圆柱尾迹和涡分离的影响,获得了两种雷诺数下的电磁力密度、流场和温度场分布。结果表明,磁场不仅影响了流动的形态,而且对湍流有抑制作用,降低了自由表面的更新机制,从而减少了传热能力;在相同的Hartmann数下,相比低雷诺数下的流动换热情况,高雷诺数下的湍流不能被完全抑制,自由表面与尾迹的相互作用也较强,因而自由表面换热也较强。     

带引流条导电矩形管磁流体湍流大涡数值模拟

为研究引流条对磁流体湍流的影响，采用自主开发的低磁雷诺数流固耦合磁流体相干结构模型大涡模拟求解器，对均匀磁场作用下平行层内带引流条导电矩形管和标准导电矩形管中液态金属湍流进行了数值模拟研究。结果表明，外加垂直流动方向的均匀磁场与流动的导电流体相互作用产生与流动方向相反的洛伦兹力，能够抑制磁流体的湍流脉动，这种抑制作用随着哈特曼数增大而增强。在弱导电率条件下，当Re=16350、Ha=212 时，两种管道中的流动均转换为层流流动状态。管道内壁面摩擦系数随着哈特曼数的增大而增大。引流条能在其近壁局部区域增强横向速度，有效激发湍流，但在弱壁面导电率条件下，带引流条导电矩形管壁面摩擦系数较标准矩形管大。     

Analytical studies on the evolution processes of rarefied deuterium plasma shell Z-pinch by PIC and MHD simulations

In this paper, we analytically explore the magnetic field and mass density evolutions obtained in particle-in-cell(PIC)and magnetohydrodynamics(MHD) simulations of a rarefied deuterium shell Z-pinch and compare those results, and also we study the effects of artificially increased Spitzer resistivity on the magnetic field evolution and Z-pinch dynamic process in the MHD simulation. There are significant differences between the profiles of mass density in the PIC and MHD simulations before 45 ns of the Z-pinch in this study. However, after the shock formation in the PIC simulation,the mass density profile is similar to that in the MHD simulation in the case of using multiplier 2 to modify the Spitzer resistivity. Compared with the magnetic field profiles of the PIC simulation of the shell, the magnetic field diffusion has still not been sufficiently revealed in the MHD simulation even though their convergence ratios become the same by using larger multipliers in the resistivity. The MHD simulation results suggest that the magnetic field diffusion is greatly enhanced by increasing the Spitzer resistivity used, which, however, causes the implosion characteristic to change from shock compression to weak shock, even shockless evolution, and expedites the expansion of the shell. Too large a multiplier is not suggested to be used to modify the resistivity in some Z-pinch applications, such as the Z-pinch driven inertial confinement fusion(ICF) in a dynamic hohlraum. Two-fluid or Hall MHD model, even the PIC/fluid hybrid simulation would be considered as a suitable physical model when there exist the plasma regions with very low density in the simulated domain.     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟北大核心CSCD

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流(MA)脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加α粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示:当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5T和250eV时,即可获得超过4keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。