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磁场环境下Rayleigh-Bénard湍流流动机制与机理研究

批准号:
52076204
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈龙
依托单位:
学科分类:
传热传质学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈龙

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
磁约束核聚变是实现聚变能和平利用的一个重要途径。液态金属包层作为实现聚变能转换和燃料氚增殖的关键部件,其内部金属流体在强磁场和大温差极端条件下的磁流体力学和湍流热对流耦合效应是包层研发的关键科学问题。本项目旨在通过直接数值模拟的方法,开展磁场作用下Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流动力学特性与传热特性的研究。首先探索竖直强磁场作用下,RB湍流主要的流动机制,如胞状机制与壁模型机制,揭示机制产生的内在机理及对流动特性和传热特性的影响。其次研究水平磁场作用下,对流涡结构从三维向二维转换的内在机理,揭示对流涡反转与分裂的原因,分析磁场强度对系统流动特性和传热特性的影响。该项目的研究不仅能丰富RB湍流热对流相关理论,更重要的是能为磁约束液态包层内热对流湍流的分析提供理论指导,具有重要的学术价值和实际应用价值。
英文摘要
Magnetic confinement provides a promising prospect for the peaceful use of the nuclear fusion. The blanket is a key component in the fusion device to promote the energy conversion and tritium breeding, and the liquid metal flowing inside it experiences great influences from high magnetic field and large temperature difference, which cause the problem to be rather complex by coupling the magnetohydrodynamics and the turbulent thermal convection flow. Through performing the direct numerical simulations, the present project aims to investigate the mechanical characteristics and the heat transfer behaviors of the turbulent Rayleigh-Bénard convection (RBC) under the influence of magnetic fields. First, the main characteristics of the turbulent RBC in different regimes will be explored in presence of a streamwise magnetic field, e.g. the cellular regime and the wall mode regime, in order to uncover the in-depth mechanisms governing the flow patterns and the heat transfer performance. Second, we will further investigate the influences of transverse magnetic fields, which are known to have anisotropic effects on the flow field. In particular, why and how does the flow pattern transit from three-dimensionality to three-dimensionality will be focuses, and the mechanisms about the reversal and splitting of the convection vortex will be detected. This project not only enriches the theories about the turbulent RBC, and moreover, it will provide the guidance for the design of the liquid metal blanket in the magnetic confinement fusion device, consequently it is both of academician and application interest.
液态金属包层作为实现聚变能转换和燃料氚增殖的关键部件,其内部金属流体在强磁场和大温差极端条件下的磁流体力学和湍流热对流耦合效应是包层研发的关键科学问题。本项目以此为背景通过直接数值模拟(DNS)的方法,系统地开展了磁场作用下Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流中流动传热特性的研究。取得的主要结论包括:1)完成了水平磁场下准二维胞状机制形成机理与演化规律的研究,建立了流动传热特性标度关系式,分析了水平磁场对RB湍流中全局热和质量传递影响,发现了雷诺数与哈特曼数-2/3的幂律关系,并进行了机理解释;2)完成了竖直磁场与水平磁场下壁模型机制形成机理与行为特性的研究,探讨了哈特曼数和横纵比对准静态液态金属磁对流的影响,明确了壁面模式在不同磁场强度和横纵比下的行为,及其对全局热传递的贡献;3)完成了水平磁场下三维与准二维结构临界转换机制的研究,建立了临界转换频率与磁相互作用数间的标度关系,分析了能量级串过程,并建立了流动传热标度率,揭示了磁场强度与于对流结构演化的内在机理;4)完成了水平磁场下主对流涡反转与分裂的机理研究,绘制了流动机制相图,系统地研究了水平磁场对高瑞利数条件下,RB湍流流动反转现象的影响,并揭示了内在的物理机制。该本项目的研究成果共发表SCI论文6篇,均在 Journal of Fluid Mechanics, Physic of Fluids, Physical Review Fluids,及Nuclear Fusion 等流体力学、核聚变权威期刊上。项目的研究成果不仅丰富了RB湍流热对流的相关理论,同时也为磁约束液态包层内热对流湍流的分析提供了理论指导,具有重要意义。
方柱绕流尾迹中的涡结构演化及磁场对其的影响研究
  • 批准号:
    51606183
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    陈龙
  • 依托单位:
国内基金
海外基金