磁流體湍流的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、磁流體管道湍流的數(shù)值模擬研究對(duì)冶金中鋼的連鑄以及熱核聚變反應(yīng)堆液態(tài)金屬包層的應(yīng)用具有重要的意義。在連續(xù)鑄造鋼鐵的過程中，人們通過對(duì)模子里的鋼水施加不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制液態(tài)金屬鐵的流動(dòng)以達(dá)到減少鑄造瑕疵的目的。在熱核聚變反應(yīng)堆包層內(nèi)流動(dòng)的液態(tài)金屬鋰鉛在磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)（MagnetoHydroDynamic，MHD），進(jìn)而改變管內(nèi)的流場(chǎng)，對(duì)反應(yīng)堆中液態(tài)包層的傳熱造成很大的影響。因此，磁流體湍流的研究對(duì)液態(tài)金屬包層概念的發(fā)

2、展取著很重要的作用。
　　湍流是自然界中存在的一種最普遍的復(fù)雜流動(dòng)，工程流體問題也絕大多數(shù)都是湍流流動(dòng)問題。隨著國(guó)內(nèi)外近年來對(duì)液態(tài)金屬M(fèi)HD效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的發(fā)展，人們也逐漸將研究的重點(diǎn)由層流流動(dòng)轉(zhuǎn)向自然界和工程中更加普遍的湍流模型和流動(dòng)機(jī)理上。然而，目前人們對(duì)于湍流機(jī)理的研究認(rèn)識(shí)以及MHD湍流的數(shù)值模擬方法仍處于探索階段。
　　直接數(shù)值模擬（Direct numerical simulation，DNS）不需要

3、對(duì)湍流建立模型，而對(duì)于流動(dòng)的控制方程直接采用數(shù)值計(jì)算求解，可對(duì)流動(dòng)區(qū)域內(nèi)所有尺度的渦進(jìn)行模擬計(jì)算，從理論研究角度來講是一種理想的數(shù)值計(jì)算方法，因?yàn)镈NS可以獲得流場(chǎng)的全部信息，也能夠獲得實(shí)時(shí)的流動(dòng)演化過程。因此，本文將采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)磁流體湍流進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
　　首先基于開源的CFD軟件OpenFOAM開發(fā)出基于低磁雷諾數(shù)的磁流體湍流直接數(shù)值模擬的求解器，并從有磁場(chǎng)與無磁場(chǎng)兩方面對(duì)求解器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。接著，用驗(yàn)證過

4、的求解器對(duì)2π×1×1的方管中普通流體和不同參數(shù)下的磁流體湍流進(jìn)行了并行數(shù)值模擬研究，給出了截面瞬時(shí)速度、平均速度的分布，并在Yplus=10處捕捉到了流向速度的高低速條帶；給出了截面對(duì)稱中心線上的擾動(dòng)速度的均方根值、湍動(dòng)能的分布；分析了磁場(chǎng)對(duì)截面渦量的影響；對(duì)比了磁流體湍流和層流的截面電流流線圖。計(jì)算結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)對(duì)磁流體湍流的擾動(dòng)具有顯著的抑制作用，且這種抑制作用隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的加強(qiáng)而更加明顯，直至湍流演變成層流，同時(shí)這種抑制作用