磁流体湍流RANS数值模拟研究

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磁流体湍流的数值模拟对液态金属包层湍流机制的研究有重要作用,而液态金属包层湍流机制的研究对液态金属包层在热核聚变反应堆的应用有着重要的意义。  基于雷诺时均 Navier-Stokes方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes)的数值模拟方法(简称 RANS方法)是磁流体湍流数值模拟研究中非常重要的一块内容。由于RANS方法是基于统计平均的,无需对湍流的细节进行处理,直接用模型对所有尺度的涡进行模拟,与直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)以及大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)相比,大大节省了计算时间和资源,降低了计算成本,对于工程应用,特别是核聚变反应堆的工程实现意义重大。本文出于工程应用考虑选用 RANS方法对绝缘方管磁流体湍流进行数值模拟研究。  近几年来,RANS湍流模型的快速发展也促进了其在磁流体领域的应用。对于 RANS湍流模型在磁流体领域中的应用方面,人们已经从最初的混合长度理论的研究转向工程上流行的两方程模型。目前已有不少人研究 k-ε模型在磁流体领域的应用,而对于 k-ω模型在磁流体领域的应用还有很大的空间。  本文通过对几种典型的k-ε模型以及 k-ω模型在磁流体湍流模拟中的准确性进行对比,确定了选用 k-ω模型进行本课题的研究。然后对 k-ω模型的传输方程进行改进,提出应用于磁流体领域的 k-ω方程。同时,本文在OpenFOAM的平台下基于 PISO算法开发出磁流体湍流 RANS求解器。然后与已经得到验证的DNS数据作比较,对自主开发的模型和求解器进行验证,确认了自主开发的模型以及求解器的可靠性。  论文的最后又用自主开发的模型和求解器探究了磁场对磁流体湍流的影响以及不同雷诺数和不同哈特曼数对磁流体湍流的影响。模拟结果显示,磁场对磁流体湍流有明显的抑制作用,并且在哈特曼层的抑制强于平行层,具有各向异性。在相同的雷诺数下,随着哈特曼数的增加,磁场增强,这种抑制作用也增强,脉动减弱。相同哈特曼数时,随着雷诺数的增加,边界层速度梯度变大,边界层变薄,湍流的脉动从中心区向边界层扩展。
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