磁流体湍流直接数值模拟研究

The study of liquid metal Magnetohydrodynamic (MHD) turbulent flow is significant in the application of liquid metal blanket for nuclear fusion reactor and the continuous casting of steel. In the application of liquid metal blanket, the way that the fluid moves could affect the heat and mass transfer of blanket obviously. The external magnetic field could suppress the turbulence of the flow, but the high velocity jet in the parallel layer could cause new instability. Therefore, when the Reynolds number is not small, the MHD flow presents a laminar-turbulence coexistence in duct flows. The MHD turbulent flow has a significant anisotropy. At the same time, the direction of external magnetic field has different effect on secondary flow. Direct Numerical Simulation (DNS) is a good way to study the MHD turbulent flow. The applicant will develop the DNS program used in the liquid metal blanket for nuclear fusion reactor based on the three-dimensional numerical simulation program for MHD duct flow that has been developed in the last year. We will study the occurrence, the laminarization, the transition of MHD turbulence, the secondary flow, the dimensional and the electric conductivity of the wall on the effect of MHD turbulence in the rectangular duct flow subject to a uniform magnetic field under the parameter of fusion blanket. The DNS study of MHD duct flow will lay the foundation of the research on how to improve the heat transfer efficiency in liquid metal blanket and provide more evidence on the design of liquid metal blanket of our country.

液态金属磁流体湍流研究对于聚变反应堆液态金属包层的应用和连续铸钢具有重要的意义。液态金属包层应用中，流体的流动状态对包层的传热传质具有显著的影响。外加磁场对湍流起抑制作用，但平行层中的高速射流又会产生新的不稳定性。因此磁流体管流在高雷诺数下一般具有层流-湍流共存的状态。磁流体中的湍流具有显著的各向异性。同时不同方向的磁场对湍流中出现的二次流的影响也不同。直接数值模拟方法是研究磁流体湍流的理想方法。申请人拟在此前工作的基础上，基于已经开发的三维磁流体管流的数值模拟程序，进一步开发聚变反应堆液态金属包层参数条件下的磁流体湍流的直接数值模拟程序。研究聚变堆包层参数条件下均匀磁场下矩形管中磁流体湍流的发生，层流化，二次流，管壁导电率和几何因素对磁流体湍流的影响。这项研究将为研究提高液态金属包层的传热效率打下基础，为我国液态金属包层的设计提供更多的依据。

液态金属磁流体的研究对聚变反应堆液态金属包层的应用具有重要意义。项目采用数值模拟方法对液态金属磁流体湍流进行了数值模拟研究。主要研究内容和重要结果有：（1）在OpenFOAM环境下自主开发了低磁雷诺数磁流体湍流的数值数值程序。程序基于投影算法和相容守恒算法，因而可用于聚变参数下磁流体的求解，同时其求解效率高于基于PISO算法求解器。开发了直接数值模拟程序，大涡数值模拟程序，发展了磁流体雷诺时均k-w模型。所开发的程序通过数值模拟结果与经典的解析解、实验结果和直接数值模拟结果的比较进行了验证。（2）采用直接数值模拟方法和大涡数值模拟方法对绝缘矩形管磁流体湍流进行了数值模拟。研究结果表明，对于绝缘管道，湍流向层流的转变取决于参数Re/Ha。动态亚格子模型所预测的湍流向层流转变参数与直接数值模拟结果完全一致，而其所用的网格为直接数值模拟网格的一半。绝缘矩形管中湍流随外加磁场强度的增强其流动状态将依次为完全湍流，单侧湍流以及层流。管道壁面的摩擦系数将在流动状态为单侧湍流时急速下降至最低，转变为层流后壁面摩擦系数随磁场的增加而线性增加。（3）对Hunt flow II的三维数值模拟结果表明，垂直于外加磁场和流向的横向速度大小对流向速度分布有显著影响。横向速度的大小与雷诺数、哈特曼数及壁面导电率有关。（4）对导电管磁流体湍流的直接数值模拟结果表明，平行层中的高速射流将引发显著的二次流。湍流中射流和二次流的强度均随壁面导电率的增加而下降。聚变参数条件下导电管中的磁流体湍流的流动状态也存在单侧湍流。导电管磁流体湍流模拟中得到的平均壁面摩擦系数小于层流模拟结果，层流和湍流的结果有显著差异。（5）在绝缘管平行壁上加入三角形引流槽可有效提高湍动能强度，但其壁面摩擦系数比标准矩形管略有增加。项目的完成丰富和完善了现有的磁流体湍流理论，为进一步研究聚变参数下磁流体湍流的传热和液态金属包层的结构设计提供了理论依据。