磁流体湍流的直接数值模拟研究-机械电子工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Direct numerical simulation of magnetohydrodynamic turbulent flows Candidate: Tan Zhongquan Supervisor: Prof. Mao Jie December，2015 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 …签名作走私 叫4 if i J1 1 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即:研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(必威体育官网网址 论文在解密后遵 守此规定) …签名碎碎 町签名:是 J;七  日期df}; 1月 7日 日期: /b年 3月/ 严 杭州电 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 磁流体管道湍流的数值模拟研究对冶金中钢的连铸以及热核聚变反应堆液 态金属包层的应用具有重要的意义。在连续铸造钢铁的过程中，人们通过对模子 里的钢水施加不同的磁场强度来控制液态金属铁的流动以达到减少铸造瑕疵的 目的。在热核聚变反应堆包层内流动的液态金属锂铅在磁场的作用下会产生磁流 体动力学效应（MagnetoHydroDynamic，MHD），进而改变管内的流场，对反应 堆中液态包层的传热造成很大的影响。因此，磁流体湍流的研究对液态金属包层 概念的发展取着很重要的作用。 湍流是自然界中存在的一种最普遍的复杂流动，工程流体问题也绝大多数都 是湍流流动问题。随着国内外近年来对液态金属 MHD 效应的实验研究和数值模 拟研究的发展，人们也逐渐将研究的重点由层流流动转向自然界和工程中更加普 遍的湍流模型和流动机理上。然而，目前人们对于湍流机理的研究认识以及 MHD 湍流的数值模拟方法仍处于探索阶段。 直接数值模拟（Direct numerical simulation，DNS）不需要对湍流建立模型， 而对于流动的控制方程直接采用数值计算求解，可对流动区域内所有尺度的涡进 行模拟计算，从理论研究角度来讲是一种理想的数值计算方法，因为 DNS 可以 获得流场的全部信息，也能够获得实时的流动演化过程。因此，本文将采用直接 数值模拟方法对磁流体湍流进行数值模拟研究。 首先基于开源的 CFD 软件 OpenFOAM 开发出基于低磁雷诺数的磁流体湍流 直接数值模拟的求解器，并从有磁场与无磁场两方面对求解器的准确性进行了验 证。接着，用验证过的求解器对2π × 1 × 1的方管中普通流体和不同参数下的磁 流体湍流进行了并行数值模拟研究，给出了截面瞬时速度、平均速度的分布，并 在 Yplus=10 处捕捉到了流向速度的高低速条带；给出了截面对称中心线上的扰 动速度的均方根值、湍动能的分布；分析了磁场对截面涡量的影响；对比了磁流 体湍流和层流的截面电流流线图。计算结果表明，外加磁场对磁流体湍流的扰动 具有显著的抑制作用，且这种抑制作用随着磁场强度的加强而更加明显，直至湍 流演变成层流，同时这种抑制作用还具有显著的各向异性。 关键字：磁流体，湍流，直接数值模拟，OpenFOAM I ABSTRACT Numerical simulation of magnetohydrodynamic turbulent duct flow is crucial in the continuous casting of steel and the application of liquid metal fusion blanket. In the process of continuous casting of steel, where different magnetic field configurations are used to control the turbulent flow of steel in the mold in order to minimize defects in the steel.