三维腔体内半透明辐射参与性磁流体动力学的稳定性分析

The issues of radiation-magnetohydrodynamics (R-MHD) exit in both engineering and scientific research categories, such as, thermonuclear reaction device, MHD generator, MHD acceleration, space weather forecasting, extrusion of molten polymers, photoelectric information, aeronautics, aerospace, astrophysics and so on. This project is focused on the incompressible semitransparent radiating participating MHD to investigate the MHD instabilities under different magnetic intensities and thermal radiation levels by numerical methods. The high precision spectral methods will be developed to solve the coupled governing equations for multi-physical fields such as thermal radiation, magnetic field, flow field, temperature field and so on. The high efficient codes for radiating participating MHD will be designed. Based on this work, effects of factors such as thermal radiation, magnetic intensity, geometric parameters and Reynolds number on MHD flow instability, and the physical mechanism of MHD flow instability will be revealed by linear stability analysis and energy analysis. The critical Reynolds under different Hartmann number, thermal radiation parameter and spanwise parameter of the cavity will be forecasted. This project is a fundamental theoretical research project, and the necessary theoretical base can be provided for the applications of radiating participating MHD in engineering and scientific research fields.

辐射磁流体力学(R-MHD)问题广泛存在于工程和科研领域，如核聚变、磁流体发电、磁流体加速、空间天气预报、聚合物成型、光电信息、航空、航天以及天体物理等。本项目针对三维腔体内不可压缩半透明辐射参与性磁流体，以数值计算为手段，探索不同磁场强度和热辐射环境条件下磁流体动力学的稳定性。拟采用高精度的数值谱方法求解热辐射场、磁场、流场以及温度场等多物理场耦合下的控制方程，开发三维坐标体系下高效计算辐射参与性磁流体力学的软件。在此基础上，通过线性稳定性分析方法揭示热辐射、磁场强度、几何参数以及Reynolds数等因素对磁流体流动失稳的影响，通过能量分析法揭示不同参数条件下磁流体流动失稳的物理机制，并预测不同Hartmann数、热辐射参数以及腔体展向系数条件下的临界Reynolds数。本项目为基础理论研究，经过本项目的实施，为辐射参与性磁流体力学在工程和科研领域中的应用提供必要的基础理论依据。

半透明磁流体在热核聚变、磁流体加速、天体物理、空间天气预报和光电信息等领域的应用涉及流动特性、传热特性、光学特性以及流动稳定性等基础理论问题，为此本项目开展了半透明辐射参与性磁流体动力学问题的基础理论研究。.主要研究内容包括：① 磁场、流场、温度场和热辐射场耦合作用下磁流体力学的数学建模研究，以及高效高精度数值方法研究；② 半透明磁流体流动和传热特性研究；③ 半透明磁流体流动稳定性分析。.主要研究结果和关键数据： ① 建立了多物理场耦合作用下的半透明磁流体动力学数学模型，新开发了谱方法与人工压缩法相结合的数值方法SCM-ACM，这种方法具有全域近似、指数收敛、高精度和易于实施等特点。② 定义了临界普朗克数Plc，界定了什么情况下需要考虑热辐射对半透明磁流体流动与传热的影响，给出了Plc随雷诺数Re 和哈特曼数Ha 的变化规律；获得了焦耳热效应和光学特性对半透明磁流体流动与传热的影响规律，随着磁场强度和热辐射强度的增加焦耳热效应的影响作用显著减弱，随着光学厚度和散射反照率的增加，温度边界层厚度减小；给出了热辐射对三维展向方向流动与传热的影响，热辐射强化了展向方向的流动与传热，而磁场的存在则削弱了展向方向的流动与传热。③ 研究获得了三维方腔内半透明磁流体由稳态流动转变为非稳态流动的演化规律和流动失稳的物理机制，预测了不同参数条件下的临界Re。流动的失稳为Hopf 分叉型振荡失稳。在次临界流动状态下，振荡幅度随计算时间的增加呈指数形式衰减，速度的振荡为单频率振荡。速度的衰减速率随Re的增加和Ha的减小而线性减小，而振荡频率不发生改变。当Ha=0时，流动转变的临界Re为1922，随着磁场强度的增加，临界Re呈线性增加的趋势，当Ha=5时，临界Re为2041。.通过本项目的开展，丰富了磁流体力学的理论内容，开发的数值方法为流动与传热的求解提供了一种新的选择，半透明磁流体流动与传热特性以及稳定性的研究成果为半透明磁流体力学的科学研究和工程应用提供了理论支撑。