磁流体管流的直接数值模拟研究.PDF

第 36 卷 第 4 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.36, No.4 2 0 1 6 年 12 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Dec. 2016 文章编号：0254−6086(2016)04−0309−06 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201604004 磁流体管流的直接数值模拟研究 1 *1 2 谭忠权 ，毛 洁 ，刘 克 (1. 杭州电子科技大学机械工程学院，杭州 310018 ；2. 大连理工大学能源和动力工程学院，大连 116024) 摘 要：在开源的 CFD 工具包 OpenFOAM 环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器，对 2π×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究，给出了截面瞬时速度、平均速度的分布，截面 对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明，外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且 这种抑制作用具有各向异性。 关键词：磁流体；湍流；直接数值模拟；OpenFOAM 中图分类号：TM344.1 文献标识码：A 1 引言 对底层流动的加速，从而降低雷诺应力，令湍动能 液态金属磁流体湍流研究对于研究液态金属 方程中生成项减小，导致湍动能减小。Chaudhary[8, 包层和连续铸钢中具有重要的意义。液态金属包层 9]对矩形管流、方管进行直接数值模拟研究。研究 应用中，流体的流动状态对包层的传热传质具有显 结果表明磁场对湍流具有显著的抑制作用。对于矩 著的影响[1] 。必威体育精装版的研究结果表明即使在大哈特曼 形管由于长宽比不同，沿长宽方向分别施加的外加 数情况下聚变堆液态包层中液态金属流动仍为湍 磁场对二次流和湍流的抑制作用是不同的。陈龙[10] 流或湍流与层流共存的状态[2, 3] 。Smolentsev[4]通过 等对方形管中的磁流体湍流进行了直接数值模拟 对现有结果的总结，指出当 Re ≥200Ha 时是一个完 研究，分析了磁场对平均速度,涡结构及其他湍流特 全发展的湍流，而当 Re ≤65Ha 时是一个完全层流。 性的影响。 Zikanov[5]等对磁流体矩形管、圆管、槽道流从层流 本文采用在 OpenFOAM 环境开发的基于低磁 到湍流演化的实验和理论研究进行了综述。 雷诺数的磁流体求解器对外加均匀磁场下的绝缘 随着计算机技术的发展，直接数值模拟(DNS) 方管中的磁流体湍流进行了直接数值模拟，对截面 方 法 在 湍 流 数 值 模 拟 研 究 中 得 到 广 泛 应 用 。 瞬时速度、平均速度、均方根速度以及湍动能的分 Habchi[6]用基于 OpenFOAM 开发出的 DNS 求解器 布进行了数值分析，并与无磁场作用下的普通湍流 对方形截面三维磁流体环形绕流进行了直接数值 进行比较。 模拟，成功的模拟出了涡对。陈智[7]对低磁雷诺数 条件下不可压缩磁流体槽道湍流进行了直接数值 2 基本方程和物理模型 模拟，并对速度- 电场、电场- 电场相关特性进行了 低磁雷诺数下，管道中导电、不可压缩流体在 逐项对比，发现湍动能降低的主要机理是洛仑兹力 外加磁场作用下的控制方程为： 收稿日期：2015−11−09 ；修订日期：2016−08−08 基金项目：国家自然科学基金 ；国家磁