横向磁场对绝缘/导电圆管中磁气体动力学流动和传热特性的影响

摘要

磁场对圆管内磁气体动力学流动和传热特性的调控作用在诸多领域具有重要的应用价值,但目前尚缺乏相关的基础性研究.本文考虑圆管壁面的导电性以及入口处湍流不充分发展的影响,构建了圆管内磁气体动力学流在横向磁场作用下的物理模型和数学模型,基于计算流体力学理论完成了数值求解,得到了哈特曼数Ha及壁面电导率比C等因素对圆管内流动和传热特性的影响规律,进而通过分析感应电流、电磁力和焦耳热的空间分布,阐明了磁场对流动和传热特性的调控机理.研究结果表明,横向磁场作用下圆管内的湍流流动呈现各向异性分布,Hartmann边界层附近的湍流动能明显低于Roberts边界层附近,且流速和湍流动能的各向异性随Ha的增加及流动的延伸越来越显著;绝缘管道内,Hartmann边界层附近的速度梯度增大,但具有大C值的导电圆管内,Roberts边界层内的速度梯度反而大于Hartmann边界层附近;横向磁场对圆管内的传热具有抑制作用,对于不同的C值,平均努塞尔数都随Ha的增加呈现先减小后增大的趋势,即传热抑制存在“饱和效应”;圆管内流动特性的转变源于磁场与流体耦合作用下电磁力的变化,而传热特性的转变源于磁场对湍流的抑制以及焦耳热效应的耦合作用.