MHD数值模拟中清除伪磁场散度方法

针对全MHD(Magnetohydrodynamics)数值模拟中存在伪磁场散度的问题,发展了如下计算方法:基本格式基于八波对称形式方程组,补充相关源项以保持方程组守恒性,并采用投影方法辅助清除伪散度.投影方法中,基于有限体积方法求解三维Poisson方程.算例显示,对于光滑解析磁场,伪磁场散度得到有效清除;对于带激波高超声速MHD流动,全局投影下自由来流区域误差增大.提出一种局部投影方法,在高磁场散度区域进行投影.结果表明,最终流场收敛稳定,高磁场散度得到有效清除,而低散度区域散度不受影响.

矩形管道中液态金属MHD流动数值模拟研究

基于感应电磁场方程发展了低磁雷诺数条件下充分发展液态金属管道流的数值模拟程序。为了校正程序,分别计算了两种工况:液态金属在全绝缘管道和部分绝缘管道中的流动,数值结果与Hunt和Shercliff的解析解吻合的很好,表明该程序具有很高的精度。最后利用发展的程序对液态金属钠钾合金在管壁材料为304不锈钢的全导电管道中的流动进行了数值模拟,并对流速分布和MHD压降结果与实验结果进行了比较,结果表明数值与实验结果吻合较好。

圆柱形Hall推力器磁场的设计与数值模拟

霍尔(Hall)推力器的磁场设计是提高其性能的关键技术之一。针对传统环形Hall推力器小型化带来的缺点,提出了圆柱形的Hall推力器。简要对比了环形和圆柱形两种推力器,对圆柱形推力器的工作原理、磁场设计的要求以及利用ANSYS有限元软件进行的电磁场数值模拟的结果进行了详细分析。结果表明,圆柱形推力器磁路设计是合理的,另外也证明了用ANSYS有限元软件进行电磁场模拟的可靠性。

电除尘器内MHD数值理论研究及模拟计算分析

磁流体力学偏微分方程组(MHD)描述了导电流体在电磁场中运动状态,借助CFD软件,应用MHD模型计算分析放电极电位分布及颗粒运动轨迹特性,结果表明:空间电荷效应对电位分布有明显的加强作用;粒径越大,颗粒荷电量越多,受空间电场力作用越明显;湍流对颗粒运动轨迹影响不容忽视。

衬套内爆ALE方法二维MHD数值模拟

早期关于二维磁流体力学方程组的描述都是在Lagrangian或Eulerian坐标内进行的。在Lagrangian描述中，计算网格固定在物体上随物体一起运动，网格点与物质点在物体的变形过程中始终保持一致，因此能准确描述物体的移动界面。但对于大变形问题，物质的扭曲将导致计算网格的畸形而使计算无法进行下去。在Eulerian描述中，网格固定在空间中，因而计算网格在物体的变形过程中保持不变，因此很容易处理物质的扭曲。但对于运动界面，需要引入非常复杂的数学映射，将可能导致较大的误差。

磁流体动力学斜激波控制数值模拟分析

高超声速飞行器MHD(磁流体动力学)斜激波控制应用的关键在于理解等离子体斜激波流场与磁场的相互作用规律,这里发展了全MHD数值模拟方法对其进行研究,数值方法基于八波方程附加源项形式,进行有限体积离散,采用了Roe求解器、OC-TVD空间格式和LU-SGS方法,且采用投影方法降低磁场伪散度误差。考察外加均匀磁场的马赫10无粘导电拐角流动,压缩角为10°。结果中散度误差较低,并且通过激波参数验证了结果的准确性。流场显示,磁场使得激波角增大,部分情况下出现了快、慢激波结构,其中快激波变化更明显;壁面压强根据磁场的不同出现了不同程度的降低。最后采用群速度图方法进行了快慢激波形式分析,解释了磁场影响下流场形式变化机理。

磁流体动力学控制二维扩压器流场数值模拟研究

对常规扩压器进行了简介并作机理分析。用小磁雷诺数假设下基于Favre质量平均的全Navier-Stokes方程来求解外加电磁场的超声速扩压器流场。与常规扩压器比较可以发现,选用适当的外加电磁场组合可以使流动在更短的距离内实现减速扩压,并将部分动能转化为电能。研究表明:仅添加一定外磁场时,第一道激波位置、第二道激波位置、激波串长度分别为无外加电磁场情况的62.19%,77.74%和50.18%。

大气压下自由燃烧弧的温度场和速度场的数值模拟

采用标准SIMPLE算法,并作了一些修正,给出了具体的计算步骤和流程图,将其应用于磁流体动力学(MHD)方程进行数值求解.得到了轴对称情况下,自由燃烧弧的温度场和速度场的分布,并和实验结果进行了比较.分析了不同辐射模型对温度场的影响,发现辐射导致电弧温度降低,但不同的辐射模型对于电弧的温度影响不大.

1997年1月事件行星际扰动在三维背景太阳风中传播的数值模拟

利用一个三维的MHD模式 ,从数值预报的角度出发 ,以 1 997年 1月事件的有关太阳观测为依据 ,构造比较符合物理实际的边值条件 ,通过三维数值模拟得到了稳定的比较接近真实的太阳风背景场 .结果显示此次事件太阳风背景场的磁场关于赤道面不对称 ,有较明显的倾斜和扭曲 ,同时磁场较弱 ;等离子体各参量相对于事件的太阳源为东西和南北不对称结构 .本文数值模拟了磁场南北分量Bθ 的不同取法对背景场的影响 ,结果表明在源表面磁场有明显倾斜的情况下 ,内边界处磁场南北分量不宜假设为零 .在此基础上 ,初步数值研究了行星际扰动在三维背景场中的传播过程 。

1998年5月日冕三维结构的数值模拟

采用三维理想磁流体力学（ＭＨＤ）模式，内边界条件把二维投影特征线边界方法推广应用到三维计算，有效地稳定了数值计算并保证稳态解的自洽性；初始猜解磁场由１９３５卡林顿周光球磁场观测数据得到，这样计算得到的１９９８年５月份期间日冕三维结构比较符合实际．计算结果表明：（１）计算得到的源表面非径向磁场量值在磁中性线附近不超过２μＴ，表明源表面磁场基本径向．（２）模拟得到的源表面径向磁场量值除了在磁中性线附近的区域外变化不大，这和观测一致．（３）由源表面磁场按平方反比的规律计算出 １ ＡＵ处磁场量值更接近观测值．（４）计算得到的日冕结构和观测定性一致．三维数值模拟结果还表明，日冕的三维大尺度背景结构主要是由磁场决定的，在闭磁场处或者电流片附近，太阳风的密度高，速度低；在开场区，太阳风的密度低，速度高．

计算机数值模拟稳态磁场重联

本文采用二维三分量(2.5维)混合模拟方法研究了Petschek模型下,重联区X线周围关于电流片对称的矩形区域内的磁场重联过程中磁场的演化过程。研究发现磁场重联后形成了突出的隆起状磁场位形,在X中性点附近的一个很小的区域内,磁场分量出现了四极形分布特征。

Hall效应对MHD湍流的能量衰减的影响

通过数值模拟研究了欧姆定律中的Hall效应修正对MHD湍流的能量衰减的影响。在低或没有磁螺旋性约束的情况下推导出了t–1能量衰减律。

高温包层内多层插件流道内液态铅锂MHD流动数值分析

包层是聚变反应堆能量转换和提取的关键部件,聚变高温制氢堆(FDS-Ⅲ)高温液态铅锂包层(HTL)中采用创新型多层插件(MFCI)技术,由SiC_f/SiC组成的流道插件使液态铅锂实现了1 000℃左右出口温度,从而达到更高的热电转换效率和制氢能力。液态金属磁流体动力学效应MHD效应是HTL包层的重点问题之一。本文以高温包层结构为参考,采用FDS团队自主开发的磁流体动力学与热工水力学耦合模拟软件MTC,对高哈特曼数下典型多层插件流道内的液态铅锂MHD流动特性进行了数值模拟,分析了不同插件电导率对流道之间电磁耦合现象的影响。

磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究

利用守恒型TVD格式对8波模型磁流体方程组进行数值模拟,对磁尾中偶极化锋面的物理和演化特性进行研究.构建了由BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面数值模拟模型,该模型由磁尾平衡模型、亚暴增长相模型和亚暴触发及BBF形成模型三部分组成.数值模拟结果很好地再现了磁尾中BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面特性.伴随着高速流的出现,磁场B_z分量呈非对称双极变化结构,即锋面前减小为负值,在锋面上急剧增大.当B_z增大到极大值后回落并趋于稳定.随着偶极化锋面伴随地向高速流向地球运动,偶极化锋面上B_z的变化越来越小.

行星际空间MHD模拟激波跃变关系分析

分析了模拟得到的可以传播到1 AU以远的日地空间磁流体力学激波与Rankine-Hug-noniot跃变关系的符合程度.通过对模拟激波的结构及其在传播过程中的演化进行的分析,提出了模拟激波的定位方法;基于所提出的定位方法,利用向长青提出的确定MHD激波局地参数的方法计算了模拟得到的激波与Rankine-Hugnoniot跃变关系的偏差.结果表明在激波传播到100Rs以后,激波对中前向快激波与Rankine-Hugnoniot关系的符合达到很高的程度,相对误差在10-2数量级以内;并且在激波传播到150 Rs以后,相对误差在10-3数量级以内.这个结果说明文中所使用的有限差分数值格式能较好地模拟激波.

针状物的数值模拟与形态观测研究进展

从针状物的数值模拟发展和形态观测进展两大方面,展示针状物近期研究成果。首先,介绍针状物磁流体动力学(magnetohydrodynamics, MHD)数值模拟的内容与进展;然后,介绍日面针状物总量和平均能流密度估算的研究进展;接着,介绍目前较为成熟的日出卫星(Hinode)上太阳光学望远镜(Solar Optical Telescope, SOT)的数据处理方法及观测到的双线和群体运动现象;最后,对目前针状物研究成果和未来研究方向进行总结和展望。

强磁场环境下磁流体数值模拟系统开发与应用

基于强磁场环境下聚变堆包层中液态金属流体的基本物理过程,采用三阶龙格库塔四步投影法求解N-S方程,相容守恒格式计算电流和电势,建立符合该现象的磁流体动力学方程组,设计开发数值模拟系统。由于该文构造的离散模型具有很好的守恒特性和精确度,数值模拟结果表明该系统对研究磁流体MHD效应,揭示磁流体流动压降、流速分布,对提高磁流体动力学系统设计效率及工程应用具有很好的参考价值。

液态金属自由表面射流磁流体力学效应的数值模拟

液态金属自由表面在上个世纪70年代就已经提出来了，直到上个世纪的90年代作为液态偏滤器／限制器和液态第一壁概念，才真正引起广泛的兴趣和关注，并重新加以研究。与传统的固体靶板材料相比较，采用液态金属自由表面的偏滤器／限制器和第一壁主要优点如下，（1）能承受更高的表面热功率密度和耐中子辐照，（2）连续性和可更新性，容易实现循环更新，（3）能在较高的温度下工作。

三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfvén波的产生.在考虑了初始离子载流子的影响后,模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂.模拟结果中除了传统的By四极结构以外,还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构,这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象,作为事例给出了Cluster卫星观测事例.同时还得出以下几个非常有意义的结果:1)受Hall效应影响的区域(空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域)电子与离子分离.在非Hall效应影响的大部分区域,受初始离子+y方向运动的影响整个磁结构向+y方向偏移;而在受Hall影响的较小区域,受电子运动影响磁力线向+y方向弯曲.随之,By产生;2)由于By的出现,场向电流(FACs)产生.与完全电子载流的情形相比,结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向+y方向偏移,场向电流主要分布在y>0的区域;3)模拟结果中Ae≈0.76,Ai≈1.36,Ae×Ai≈1.03,完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系,证实了Alfvén波的存在.

Hall效应对三维磁流体发生器的影响

应用三维非理想低磁雷诺数磁流体五方程模型发展了对带有强制项的Navier-Stokes方程组采用熵条件格式,对椭圆型电势方程采用SOR进行迭代的数值方法,研究了Hall效应对磁流体旁路超燃冲压发动机中磁流体发生器流动及性能的影响.磁流体发生器采用电子束获得有效可靠的电导率.计算结果表明,Hall效应可引起流场和电场的扭曲,从而诱导出不稳定二次流的发展与演变,并破坏Joule热的分布.对这些磁流体现象作出了较详细的分析.最后计算了磁流体发生器的性能参数,说明Hall效应将导致磁流体发生器的性能下降.