磁流体自由表面流动及传热特性的数值研究

摘要

在冶金、铸造以及聚变核能反应堆第一壁等实际工程应用中经常遇到自由表面流动与传热的问题。由于自由表面流动将产生表面的更新、波动等现象，引起界面的不稳定(即液态金属表面的波动)，对实际工程应用产生非常不利的影响；同时，流体表面的不稳定对传热传质有强化作用。如何主动控制自由表面的流体流动和传热特性一直是流体力学和工程热物理学科领域的主要研究方向之一。导电流体通过磁场将产生诱导电流，此诱导电流与应用磁场相互作用在流体中产生一个与流动方向相反的洛仑兹(Lorentz)体积力，也即磁流体动力学 (MHD，MagnetoHydroDynamics) 效应。这种MHD效应可改变流体的流动特性和传热特性，对流动造成额外的压降，降低了表面的传热能力以及降低表面摩擦等。 本论文首先对磁流体流动的数值模拟方法进行总结和概述，阐述了磁流体数值研究的主要方法和面临的主要问题。在此基础上，发展了一个有效的自由表面的多相流诱导磁场方程模型，利用基于大型计算流体力学软件FLUENT携带的MHD模块中的用户定义子程序（UDF），使用标量输运方程的求解器，求解磁流体方程，并将其耦合于流体动量和能量方程中。然后对此发展的程序进行了验证。 发展了MHD k-ε湍流模型和大涡模拟方法，模拟计算了不同应用磁场条件和流动雷诺数下，液态金属锂自由表面的流动和传热特性。研究表明，磁场能够抑制自由表面的波动，降低表面的传热能力，造成表面温度梯度增大。自由表面绕流圆柱流动时，磁场使分离点向下游移动，尾迹区减小；在磁场强度一定时，随雷诺数Re的增加，圆柱后的分离流的无流区随之增加，宽度变大，边界层脱离点向流体上游移动，表明磁场的作用随雷诺数Re的增加而减弱。磁场作用对传热的效果是:当雷诺数Re增加时，自由表面温度降低，传热增加，温度梯度降低；同时，电流密度及电磁力密度相应减小。这些研究结果对自由表面磁流体的流动和传热控制提供了很好的指导。