磁流体湍流的数值模拟研究-机械工程专业论文.docx

杭州 杭州电子科技大学硕士学位论文 万方数据 万方数据 摘要 在磁场作用下的磁流体动力学（magnetohydrodynamic）研究对于核聚变反应的发展有着 非常重要的作用。核聚变反应堆中包层中的流体金属主要功能包括反应堆中氚的增殖、产生 聚变能后能量的转换以及屏蔽反应过程中产生的辐射，而磁场的存在是为了采用磁性约束将 高温等离子体约束在一定的范围内，包层内的金属流体在磁场作用下的流动会引起磁流体动 力学效应（MHD 效应），MHD 效应会改变流体的流线模式、流动特性以及包层内流体的压 降问题。液态金属 MHD 流动的研究与冶金、核聚变反应等很多前沿科技密切相关。 金属流体在包层中流动，由于受到外加磁场的作用流体内会产生感应电流，感应电流又 在磁场作用下产生与流动方向相反的洛伦兹力，从而影响其流动速度。管道流中有两种不同 的边界层：哈特曼层和边界层，两个边界层都很薄，但由于其通过很大的电流密度，所以要 在其层内划分一定数量的网格，这样就给所要研究的数值模拟大大增加计算量。 近年来，对于包层内金属流体MHD流动的数值模拟研究有了很大的发展，而人们研究的 重点也从之前的层流逐渐转到自然界和工程中更加普遍的湍流模型上。湍流是自然界中普遍 存在的一种复杂流动，但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，本文将采用大涡数值模拟方法对磁流体湍流进行数值模拟。 用开源CFD软件OpenFOAM开发出适合本论文研究的磁流体湍流MHD求解器，先对开 发出的MHD求解器进行验证，验证其正确性。用开发的MHD求解器对不同的算例进行数值 计算，我们可以看出随着计算的不断进行，流体的截面速度不断呈现压平的趋势，中心速度 下降，靠近侧壁速度相应升高。观察方管截面速度云图和速度矢量我们可以看出管道流内湍 流流体是有涡流出现，在垂直方向加上磁场后，磁场对速度有个“压平”趋势，涡流也相应 减少，速度矢量更多的向四角以及拐角靠近哈特曼层的地方靠近。通过Y+=15的靠近壁面处 瞬态速度可以很清楚看到湍流流体中的高速和低速区域，加上y方向磁场后湍流的高低速带会 沿着流动方向被拉伸而呈现“长条状”。我们又对不同的算例进行数值模拟，比较了雷诺数分 别为Re=4300、Re=5300，而哈特曼数同为Ha=23的平均速度和脉动速度对比，通过平均速度 和脉动速度可以更直观的看出雷诺数较大的速度曲线受洛伦兹力影响压平效果较明显，湍流 强度也较大。同时又比较了雷诺数为Re=5300,哈特曼数分别为Ha=23、Ha=46的平均速度和脉 动速度对比，通过对比可以发现磁场越强、哈特曼数越大对于磁流体湍流有越强的抑制作用。 关键词： 核聚变，磁流体动力学，湍流，大涡模拟，计算流体力学 I Abstract The study of magnetohydrodynamic (MHD) flows in presence of intense magnetic fields is fundamentalimportance for the development of nuclear fusion reactors. In the blanket of the fusion reaction blanket are used for producing tritium that feeds the fusion reaction, for removing the generated heat and for shielding the neutron and radiation fluxes. The magnetic field that confines the fusion plasma in the blanket, the metal flow of fluid under a magnetic field will cause the magnetohydrodynamic effect (MHD effect) in the blanket, MHD effect modifies stream patterns, flow features and pressure distribution, Liquid metal MHD flow research are closely related with metallurgy, nuclear fusion which are a lot of advenced science and technology. Because he metal flow of fluid under a magnetic field in the blanket, it will cause indu