液态金属自由表面射流磁流体力学效应的数值模拟

液态金属自由表面在上个世纪70年代就已经提出来了，直到上个世纪的90年代作为液态偏滤器／限制器和液态第一壁概念，才真正引起广泛的兴趣和关注，并重新加以研究。与传统的固体靶板材料相比较，采用液态金属自由表面的偏滤器／限制器和第一壁主要优点如下，（1）能承受更高的表面热功率密度和耐中子辐照，（2）连续性和可更新性，容易实现循环更新，（3）能在较高的温度下工作。     

非均匀磁场中自由表面液态射流的MHD稳定性分析

基于在液态金属实验回路上的实验,对非均匀磁场中液态金属射流的MHD稳定性进行了研究,建立了一个描述射流性能的简化模型。由此简化模型所得的结果与从实验获得的结果相比较表明,它们相当吻合,并发现在此液态金属射流中存在一个固有稳定性区域。     

液态金属自由表面膜流MHD效应的数值模拟

对液态金属自由表面膜流在强磁场下的磁流体力学效应进行了数值模拟研究,获得了液态金属自由表面的形状、截面流速分布及截面上的电动势分布,从而能对膜流的一些磁流体动力学行为作出解释。数值计算结果与理论分析和实验结果符合较好。由实验和数值模拟结果可以得出,液态金属膜流通过强磁场时,磁场会阻碍膜流的运动。     

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。     

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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。     

液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的磁流体力学效应研究

近年来，由于考虑液态金属作为偏滤器／限制器和第一壁的面对等离子体材料，液态金属自由表面受到越来越多的关注。原因在于液态金属自由表面具有高效的排热和吸热性能、能随强的中子辐照和高的表面热功率密度等特点，而这是未来先进聚变堆对偏滤器、限制器、第～壁材料所要求的。为此，美国启动了庞大的研究项目——ALPS／APEX，而各主要发达国家也展开这方面相关的研究工作。但是目前对于液态金属自由表面在聚变相关条件下的了解还是很有限的，特别是射流，这是由于射流在非均匀磁场下的行为太复杂：一方面是涉及流体力学的自由表面问题。另一方面是导致其更为复杂化的磁流体力学（MHD）效应。本文就液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的稳定性展开研究，而研究其稳定性的关键在于它的磁流体力学效应。     

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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。     

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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.     

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。     

基于MHD的磁射流抛光中流场的分析与模拟

从理论上分析了磁射流抛光中的磁场与流场的相互作用,构建了磁射流抛光的冲击射流模型,基于磁流体动力学对磁射流抛光过程的紊动冲击射流进行数值模拟,得到了磁射流抛光过程的连续流场和射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度分布。通过比较射流抛光和磁射流抛光的数值计算结果,分析了磁流变效应对射流稳定性的影响,从射流的流场、速度、紊动强度等方面分析射流在磁场中稳定的原因。     

简化理论研究液态包层通道插件流体MHD效应

基于先前的普通管道中的MHD效应的实验结果和质量守恒定律(或液态流体不可压缩原理)、洛仑磁力定律和电荷守恒定律,再利用有源网络等效方法,发展出一种简化而有效的分析带通道插件(FCI)管道的磁流体动力学(MHD)效应的方法。简化理论预测结果表明：采用FCI可有效地降低MHD压降;FCI的电导率存在一个临界值时,当大于这个值时,中心区流速将小于边界区流速;管道结构、FCI电导率、液态金属种类等存在着一个最佳组合参数,能最有效地减少MHD压降。     

Thermophysical effects of carbon nanotubes on MHD flow over a stretching surface

This article is intended for investigating the effects of magnetohydrodynamics (MHD) and volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) on the flow and heat transfer in two lateral directions over a stretching sheet. For this purpose, three types of base fluids specifically water, ethylene glycol and engine oil with single and multi-walled carbon nanotubes are used in the analysis. The convective boundary condition in the presence of CNTs is presented first time and not been explored so far. The transformed nonlinear differential equations are solved by the Runge–Kutta–Fehlberg method with a shooting technique. The dimensionless velocity and shear stress are obtained in both directions. The dimensionless heat transfer is determined on the surface. Three different models of thermal conductivity are comparable for both CNTs and it is found that the Xue [1] model gives the best approach to guess the superb thermal conductivity in comparison with the Maxwell [2] and Hamilton and Crosser [3] models. And finally, another finding suggests the engine oil provides the highest skin friction and heat transfer rates.     

基于孔口出流模型的实验研究及理论分析

基于孔口出流模型对底部有小孔的圆柱体容器中液体液面高度随时间的变化规律进行了实验研究,并通过计入液体表面张力引起的孔口收缩和流体黏滞力导致的能量损失对实验结果进行了理论分析,与实验结果一致.     

气泡与自由液面相互作用的实验研究

气泡在不同边界附近运动时,其运动特性与在自由场中相比会发生很大变化,特别是当气泡在近自由面附近运动时, 与自由面发生强烈的耦合作用而产生极其复杂的水面现象.为探究其规律,在前人研究的基础上, 采用电火花生成气泡,利用高速摄影系统对气泡与自由液面的相互作用进行了实验观察和研究. 通过对大量实验数据的分析和整理,总结了自由液面的存在对气泡最大半径、脉动周期、射流时间以及射流宽度的影响, 并初步拟合了放电电压与气泡最大半径的关系.对不同水冢现象的具体过程进行了分类和详细的描述, 得出了发生不同水冢现象的决定因素,同时统计得到相同初始条件下水柱最大高度随无量纲距离的变化规律, 为气泡与自由液面相互作用的研究提供了参考.