局部磁场对导电流体绕钝体流动减阻和传热强化的影响

导电流体通过外加局部磁场时,可以在流体内部形成一虚拟钝体-"磁钝体",可以利用此效应,对冶金、换热、航空、海洋平台和化工等过程中导电流体绕下游钝体流动进行减阻和局部传热强化,具有很强的应用背景和较高的理论价值。这一方法在理论和应用上都有很强创新性,对此还没有完整的理论解释和实验描述。本申请将发展三维非均匀磁场的MHD数值计算方法,结合实验研究，从研究诱导磁场、电流场及洛仑兹力特征开始,系统地研究局部磁场产生磁钝体的条件、涡流的形成及其三维时空图像和演化规律、流动不稳定性的动力学特征，获得局部磁场形状、尺寸、强度等外在参数与绕钝体流动的速度场、边界层、尾迹的演化及温度场等内在流动特征之间关联规律,了解磁钝体与下游钝体尾迹相互作用下的尾迹特征，阐明磁钝体对下游绕钝体流动减阻和传热强化的影响机制，获得可供应用进行参数设计的准则关系式，为绕钝体流动减阻及传热强化的应用提供理论指导和实验依据。

导电流体流经外加非均匀局部磁场时会在流体内部产生一个与流动方向相反的洛仑兹力。这种非接触式力被广泛应用于冶金(如电磁搅拌)和流动测量(如洛仑兹力速度仪)等。本项目以非均匀局部磁场下导电流体流动和传热为研究对象，建立了有效的三维数学模型和CFD程序，系统地研究了多种参数下磁钝体涡流的形成、尾迹时空演化机理及其对流动和传热的影响规律；并利用发展的磁流体计算程序研究了磁钝体作扰动体，其对流体绕流下游钝体时的流动和换热特征的影响机制。. 研究结果显示，在合适的磁约束因子、相互作用参数和雷诺数时，导电流体流经非均匀局部磁场可形成稳定的双涡结构或稳定的六涡结构，即出现与固体钝体绕流中类似的现象—在流体局部区域内形成磁钝体。随雷诺数的增大，磁钝体稳定六涡结构中的附着涡会交替地脱落而形成类似于固体钝体尾迹中的卡门涡街；涡脱落频率随通道阻塞率的增大而增大，且连接涡在通道阻塞率较大时不能稳定地共存；当通道展向宽度足够大时，涡脱落频率几乎不受磁约束因子、相互作用参数和雷诺数的影响，且连接涡对能稳定地存在。磁钝体尾迹的不稳定性比稳定涡流可以更显著地促进通道中的对流换热；且通道中的对流换热能力与磁约束因子成正比，与阻塞率成反比。在单排磁钝体阵列工况下，随来流速度的增加涡流结构形成与演化规律和孤立磁钝体类似。随来流速度的减小和磁钝体间隙率的增大，相邻尾迹涡流间的相互作用减弱，此时磁钝体阵列尾迹涡脱落规律与孤立磁钝体相似。当惯性力较强时(如Re=900)，通道芯部的两个磁钝体尾迹涡流会向临近的尾迹扩展而扰动整个尾迹区，从而使得附着涡无明显的脱落主频。磁钝体阵列较孤立磁钝体对换热的促进作用更显著。. 磁钝体作为上游扰动体时，磁钝体和圆柱/方柱间的区域内存在两种明显的流动模式：空穴模式和尾流撞击模式。钝体间距较小时为空穴模式，间距较大时为尾流撞击模式。两种模式下磁钝体都可以减小下游圆柱/方柱的阻力，而空穴模式时的减阻效果更好。磁钝体引入的压降损失与下游钝体的截面形状有关，磁钝体对方柱阻力的减小要高于磁钝体所引入的压降损失。下游钝体迎风面与周围流体的换热能力明显减弱，从而使得下游钝体与周围流体的整体对流换热能力降低。以上研究成果对了解磁钝体涡流结构的形成、对传热的影响及流动主动控制技术具有重要价值。