磁场松弛作用下液态金属旋转Rayleigh-Bénard对流中流动和传热强化机理研究

批准号:
11902224
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
冷学远
依托单位:
学科分类:
A0901.湍流与流动稳定性
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
洛伦兹力或科氏力能抑制Rayleigh-Bénard对流;而二者共同作用时,洛伦兹力能打破旋转约束并促进对流。这种松弛效应控制着地球内部的对流行为;对该流动和传热强化现象的研究,是研究磁发电机理论和地磁起源的流体力学基础。.磁场松弛效应下流动和传热强化的产生并不依赖Pr数,已有的“相干结构增强”观点不适用于液态金属,也不能解释流动的增强。对此,本项目从“洛伦兹力抵消科氏力”和“Ekman-Hartmann层耦合作用”的角度,对强磁场、强旋转的Rayleigh-Bénard对流进行研究。采用直接数值模拟和实验研究,通过建立传热和流动标度率,研究速度和温度特征,分析力对流体微元和宏观流动的作用方式和规律,揭示流动和传热强化的物理机制;通过研究Ek数、Pr数对流动和传热特性的影响,验证现有高Pr数磁发电机对流模型的准确性和可靠性,并为液态金属磁发电机对流模型的选择和设计提供理论依据。
英文摘要
Either Lorentz or Coriolis force can inhibit and stabilize the Rayleigh-Bénard convection individually; however, when they are acting simultaneously, the Lorentz force can release the rotating constraint, with facilitating the convection and enhancing the heat transfer. This magnetorelaxation and the balance dominating by Lorentz and Coriolis forces governs the liquid metal convection in the earth's interior; to understand the flow and heat transfer properties in such convection is crucial to study the dynamo theory and explain the generation of geomagnetic field..In the presence of magnetorelaxation, the appearance of enhancement is independent on Pr number; the theory of "coherent structures manipulation" isn't applicable to liquid metal, and also can't clarify the velocity enhancement. So, in present study, the viewpoints of counteracting between Lorentz and Coriolis forces, and the coupling effects of Ekman-Hartmann layers are proposed to study the flow and heat transfer enhancement in Rayleigh-Bénard convection subjected to strong magnetic field and rapidly rotating . .With direct numerical simulation and preliminary experiments, by establishing the scaling law of velocity and heat transfer, the properties of velocity and temperature is investigated; by analyzing the effects of various forces on flow elements and global field, the mechanisms of heat transfer and flow enhancement will be presented. At last, via studying the effects of Ek and Pr numbers, the verification of accuracy and reliability on current high-Pr dynamo convection is conducted. Based on the presented studies, the theoretical evidences will be provided for reference in choosing and designing the convection model for liquid metal dynamo.
湍流Rayleigh-Bénard对流是自然科学领域、工业应用中经典的流体力学问题。在多数场景中,Rayleigh-Bénard对流受到多物理场耦合作用的影响,特别是旋转产生的科里奥利力和磁场洛伦兹力的作用。本项目针对湍流热对流中的湍流相干结构、热量和动量输运过程这两个核心问题,进行了系统研究。所获得的主要研究进展、重要结果等可以归纳如下:1、在磁场-旋转共同作用的湍流热对流中,无论是高Pr数的液体、还是低Pr数的液态金属中,两种约束力(科里奥利力和洛伦兹力)共同作用下产生磁场松弛作用,即抵消彼此的抑制作用;在磁场松弛作用下,湍流中的热量输运会出现超过100%的强化。磁场松弛作用的产生和强度取决于对流系统的底边界电流边界条件,该结果为未来磁发电机模型的选择提供了理论依据。2、在科里奥利力或洛伦兹力单独作用的湍流热对流中,流场中会产生亚临界的壁面对流模式。利用壁面模式的空间分布特性,可以通过调节系统几何约束控制的方式,在输运过程被强烈抑制的热对流系统中,提出一种新的传热强化的方式,实现400%以上的传热强化。3、在揭示相干结构对湍流输运过程影响的研究中,发现了两种湍流模态之间的转捩过程;该转捩过程伴随着湍流结构和传热系数的改变;又揭示了热量、动量输运标度律和相似性,后通过湍流输运结构提取的方式,解释了输运相似性的起因。.基于这些研究成果,我们在国际顶级流体力学类学术期刊Journal of Fluid Mechanics上发表论文1篇,在国际知名学术期刊Physical Review Fluids上发表论文1篇,在国际知名学术期刊International Journal of Heat and Mass Transfer上发表论文1篇,总共发表SCI论文4篇(项目负责人均为第一作者)。此外还在全国流体力学会议和中国力学大会参加报告3次。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
MHD Taylor-Couette flow with insulating walls at periodic condition and low magnetic Reynolds number
具有周期性条件和低磁雷诺数的绝缘壁的 MHD Taylor-Couette 流
DOI:10.22364/mhd.56.2-3.1
发表时间:2020-09
期刊:Magnetohydrodynamics
影响因子:0.7
作者:X. Y. Leng;Yu. B. Kolesnikov;D. Krasnov;B. W. Li
通讯作者:B. W. Li
Flow structures and heat transport in Taylor-Couette systems with axial temperature gradient
具有轴向温度梯度的泰勒-库埃特系统的流动结构和热传输
DOI:10.1017/jfm.2021.430
发表时间:2021
期刊:Journal of Fluid Mechanics
影响因子:3.7
作者:Leng X. -Y.;Krasnov D.;Li B. -W.;Zhong Jin-Qiang
通讯作者:Zhong Jin-Qiang
Aspect-ratio dependence of heat and angular momentum transport in turbulent Taylor-Couette flows with axial thermal forcing
具有轴向热强迫的泰勒-库埃特湍流中热量和角动量传输的纵横比依赖性
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123194
发表时间:2022
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer
影响因子:5.2
作者:X.-Y. Leng;Jin-Qiang Zhong
通讯作者:Jin-Qiang Zhong
Mutual coherent structures for heat and angular momentum transport in turbulent Taylor-Couette flows
泰勒-库埃特湍流中热和角动量传输的互相干结构
DOI:10.1103/physrevfluids.7.043501
发表时间:2021-11
期刊:Physical Review Fluids
影响因子:2.7
作者:X.-Y. Leng;J.-Q. Zhong
通讯作者:J.-Q. Zhong
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