与液态金属第一壁有关的磁流体多相流数值研究

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本文对均匀磁场中初始静止的液态金属在电流作用下的三维运动和均匀磁场中金属液滴撞击到同种物质的液膜表面后的三维运动进行了数值计算和分析。  在托克马克装置中用液态金属做第一壁和偏滤器时,约束磁场的存在会使液态金属的流动出现MHD效应,金属流体表面出现溅射现象,溅射液滴重新撞击到流体表面也会改变自由表面形态。在实际的托卡马克实验装置中观察到飞溅出的液态金属造成了等离子体的破裂。因此本文模拟和分析了均匀磁场中外加电流导致的金属流体运动和金属液滴与液膜的撞击。  本文使用了Zhang等人发展的模拟MHD多相流动的数值算法进行研究。该算法利用BCG格式离散对流项,利用两步近似投影法求解压力场和速度场,利用相容守恒格式求解电磁场,采用AMR划分网格,采用多重网格法加快泊松方程的迭代收敛,这样得到的数值解在时空上都是二阶精度的。在处理多相流动时,该算法用VOF法中的PLIC法重构并推进界面,利用CSF模型求解表面张力,并采用压力平衡技术消除虚假流动。该程序已被证明能够精确模拟MHD两相流动。  建立了向处于均匀磁场中的静止液态金属中通入水平方向电流的模型。液态金属所处容器有两个相对的壁面导电,另外两个壁面和底面绝缘。通过分析计算结果发现,当磁场方向沿水平方向与电流垂直时,液态金属表面会出现垂直于电流方向的褶皱;当磁场方向竖直向上时,一绝缘壁面处的金属流体会匀速上升,与之相对的绝缘壁面处的流体下降,导电壁面附近的金属流体形成向上的射流;当磁场方向平行于电流方向时,液态金属自由表面形成与x轴夹一锐角α的褶皱,且α随时间逐渐增大。在上述三种情况下,增大电流和磁场,褶皱均会破碎成大量的二次液块甚至细小的液滴。  建立了均匀磁场下金属液滴撞击到同种物质的液膜表面的模型,对碰撞发生后很短时间内(~10-3s)金属流体的运动进行了数值研究。涉及到的主要影响因素包括液滴下降的速度、液膜的厚度以及外加磁场的方向和大小。竖直方向磁场的存在会抑制撞击发生后金属流体的溅射和径向运动。当存在竖直方向的足够强的外加磁场(Ha>1000)时,撞击后液滴在液膜表面形成了缓慢下落的准静态的凸起。水平方向的磁场对流体运动的抑制效果并没有那么明显,但水平方向磁场的存在使得溅射产生了各向异性。厚液膜由于有更多的流体和更长的路径吸收液滴的动能,发生的溅射相较于薄液膜更平和。文中大部分结果中液滴的初始速度是4m/s。当液滴初始速度为2m/s时,惯性力较小,碰撞发生后流体表面没有冠状溅射,只有沿着径向传播的波动;当速度为6m/s时,碰撞后会出现大量二次液滴。  本文的研究为进一步研发热核聚变实验堆液态第一壁和偏滤器等核心部件做了一些准备工作。
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