倾斜非均匀磁场下导电方管磁流体管流的数值模拟研究

热核聚变反应堆液态金属包层应用中的一个重要问题是液态金属在导电管中流动和强磁场相互作用产生的额外的磁流体动力学压降.这种磁流体动力学压降远远大于普通水力学压降.美国阿贡国家实验室ALEX研究小组,对非均匀磁场下导电管中液态金属磁流体动力学效应进行了实验研究,其实验结果成为液态金属包层数值验证的标准模型之一.液态金属包层在应用中会受到不同方向的磁场作用,本文以ALEX的非均匀磁场下导电方管中液态金属管流实验中的一组参数为基础,保持哈特曼数、雷诺数和壁面电导率不变,采用三维直接数值模拟的方法,研究了外加磁场与侧壁之间的倾角对导电方管内液态金属流动的速度、电流和压降分布的影响.研究结果表明:沿流向相同横截面上的速度、电流以及压力分布均随磁场的倾斜而同向旋转.倾斜磁场均匀段,横截面上的高速区位于平行磁场方向的哈特曼层和平行层交叉位置,压力梯度随磁场倾角的增大先增大后减小.倾斜磁场递减段,在三维磁流体动力学效应作用下,横截面上的高速射流位置向垂直磁场方向偏移.磁场递减段的三维磁流体动力学压降随磁场倾角的增大而增大.随磁场倾斜,截面上的射流峰值逐渐减小,二次流增强,引发层流向湍流的转捩.

平行壁变形导电管磁流体层流数值模拟

采用自主开发的基于Open FOAM环境下的磁流体求解器,对外加横向均匀磁场的导电方管、平行壁内凹导电管以及平行壁外凸导电管内的磁流体进行了层流数值模拟。在壁面电导率为0.01、流体雷诺数为500、哈特曼数为500~2000的条件下,研究了三种导电管中液态金属磁流体速度分布和压降。结果表明:平行壁内凹和外凸对速度分布具有显著影响;在相同参数条件下,平行壁内凹管的压降大于方管,而平行壁外凸管的压降小于方管。

涂层裂纹的MHD压降研究

目前的研究已表明，自冷包层中的MHD压降问题可以在与液态金属流体接触的通道壁上涂电绝缘陶瓷涂层或自修复涂层而得到很好的解决。但因热应力等因素引起陶瓷出现裂纹或剥落，在陶瓷涂层出现裂纹或剥落后的MHD压降需要开展相应的实验工作。考虑到低成本和方便的涂层工艺，本研究中的绝缘涂层使用了在回路的运行温度下与流体介质相容的聚氨基甲酸脂，用旋转加热法在外径为64mm、内径为57mm的导电实验段的内壁均匀地涂上2.65mm厚的聚氨基甲酯酯电绝缘涂层，涂后的流道内径为51．7mm，如图1所示，D1－D5为设置的模拟涂层裂纹的铜电极，电要直径为10mm，长为100mm。P1和P2为差压传感器接口，间距为500mm。LEVI探针可测量该方向上的MHD流速分布。P1和P2，电极D1－D5以及LEVI接口均位于电磁铁提供的均匀磁场区域，其方向与液态金属流速和外加磁场垂直。采用特殊的涂层工艺，使每个接口连接处的液态金属不会通过这些电极、差压接口以及LEVI接口与导电的实验段外壁短路，确保全绝缘和各种模拟裂纹的MHD压降实验的可靠性和准确性。