绝缘方管磁流体湍流大涡数值模拟研究

摘要

在热核聚变反应堆包层内流动的液态金属在磁场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热传递造成很大的影响。因此，磁流体湍流的研究对液态金属包层的应用具有重要的意义。近年来，对包层内液态金属MHD效应的研究也取得了很大发展，并且人们研究的重点也从层流研究逐渐转换到自然界和工程界更加普遍的湍流研究中。
　　鉴于直接数值模拟(Direct numberical simulation,DNS)对网格要求比较高，而带来的计算量比较大，所以本文采用大涡模拟方法（large eddy simulation，LES）研究金属流体在方管中的流动状态。现有研究表明dynamic Smagorinsky model（DSM）在计算磁流体湍流时表现较好。所以本文研究DSM、Smagorinsky model（SM）以及dynamic one equation model（DOM）这三种模型在计算磁流体管道流中的适用性。
　　首先基于开源CFD软件OpenFOAM开发出低磁雷诺数的磁流体湍流LES模拟的求解器，并分别研究了该求解器在低雷诺数和高雷诺数的表现；接着分别比较三种模型在磁流体管道流中的平均速度、速度均方根以及湍动能分布；研究表明DSM比其他两个模型在计算磁流体湍流时表现要好。接着通过对比平均速度、速度均方根、湍动能以及能谱来研究磁场对磁流体湍流的抑制作用和磁场对磁流体湍流的影响；随后研究不同磁场强度对磁流体湍流的影响；计算结果表明，外加磁场对磁流体湍流有明显的抑制作用，而且这种抑制作用随着磁场的增加而更加明显，直至湍流演变为层流，同时这种抑制作用还有明显的各向异性。最后通过研究壁面摩擦系数来研究金属流体管道流层流到湍流的转化机制。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 湍流的研究方法

1.3 大涡模拟方法的发展与研究现状

1.4 大涡模拟近壁面区流动研究现状

1.5 磁流体管道流的研究现状

1.6 本文的主要工作

第二章 大涡模拟方法的基本计算模型

2.1 磁流体湍流控制方程

2.2 大涡模拟方法

2.3 亚格子尺度应力模型

2.4 近壁区的流动特点

2.5 PISO算法简介

2.6 数值模拟软件选择

2.7 本章小结

第三章 大涡模拟方法中SGS 模型研究

3.1 SGS模型

3.2 磁流体管道流LES计算方案

3.3 模型比较

3.4 磁流体湍流LES高雷诺数求解器验证

3.5 网格的弹性检测

3.6 本章小结

第四章 LES模拟的结果分析

4.1 有磁场和无磁场对磁流体湍流的影响

4.2 不同磁场强度对湍流的影响

4.3 磁流体湍流到层流转化机制

4.4 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 工作总结

5.2 工作创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

附录