Численное моделирование смешанной конвекции в жидком металле при подъемном течении по круглой обогреваемой трубе в условиях поперечного магнитного поля
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.4.37Ключевые слова:
смешанная конвекция, жидкий металл, теплообмен, поперечное магнитное полеАннотация
Рассмотрены процессы гидродинамики и теплообмена при смешанной конвекции жидкого металла (число Прандтля составляет 0.025) в подъемном течении по вертикальной трубе в условиях поперечного магнитного поля. Исследование выполнено с использованием метода прямого численного моделирования. Расчет проводился при числах Рейнольдса до 12000, числах Ричардсона от 0 до 2.4 и числах Гартмана до 550 для двух предельных случаев проводимости стенок трубы. Результаты моделирования для изолированной трубы сравнивались с данными измерений в экспериментах на ртути. Влияние поперечного магнитного поля проявляется в подавлении турбулентного переноса и ламинаризации течения с образованием у продольной скорости сильной неоднородности в профиле по углу и высоких градиентов в поперечном направлении. В зависимости от проводимости стенки трубы и соотношений параметров - числа Ричардсона и Гартмана, возникающие течения с различной топологией профиля продольной скорости обуславливают распределение температуры в стенке и значения коэффициентов теплоотдачи. Показано, что в магнитном поле при изолированной стенке с возрастанием числа Ричардсона течение имеет тенденцию к неустойчивости (к зарождению и обрыву струй, появлению вихревых структур), которая развивается в формирующихся вблизи стенок трубы слоях Робертса, ориентированных перпендикулярно магнитному полю. Периодический процесс генерации и обрыва струй и возникающие вихревые структуры, сохраняются в магнитном поле и вызывают флуктуации компонент скорости и температуры в потоке. Получена зависимость для сопротивления трения на стенке и теплоотдачи (числа Нуссельта) от числа Ричардсона.
Скачивания
Библиографические ссылки
Abdou M., Morley N.B., Smolentsev S., Ying A., Malang S., Rowcliffe A., Ulrickson M. Blanket/first wall challenges and required R&D on the pathway to DEMO // Fusion Engineering and Design. 2015. Vol. 100. P. 2-43. DOI: 10.1016/j.fusengdes.12015.07.021
Петухов Б.С., Стригин Б.К. Экспериментальное исследование теплообмена при вязкостно-инерционно-гравитационном течении жидкости в вертикальных трубах // Теплофизика высоких температур. 1968. Т. 6, № 5. С. 933-937.
Jackson J.D., Cotton М.А., Axcell В.Р. Studies of mixed convection in vertical tubes // International Journal of Heat and Fluid Flow. 1989. Vol. 10. P. 2-15. DOI: 10.1016/0142-727x(89)90049-0
Петухов Б.С., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. М.: Наука, 1986. 191с.
Jaeger W., Hering W. Mixed Convection with Liquid Metals: Review of Experiments and Model Development // Proc. of the Advances in Thermal Hydraulics. ATH 2018. Orlando, FL, 2018. P. 846-859.
Jackson J.D., Axcell B.P., Walton A. Mixed-convection heat transfer to sodium in a vertical pipe // Experimental Heat Transfer. 1994. Vol. 7, no. 1. P. 71-90. DOI:10.1080/08916159408946473
Zikanov O., Belyaev I., Listratov Y., Frick P, Razuvanov N., Sviridov V. Mixed Convection in Pipe and Duct Flows With Strong Magnetic Fields // Applied Mechanics Reviews. 2021. Vol. 73. 010801. DOI: 10.1115/1.4049833
Rhodes T.J., Pulugundla G., Smolentsev S., Abdou M. 3D modelling of MHD mixed convection flow in a vertical duct with transverse magnetic field and volumetric or surface heating // Fusion Engineering and Design. 2020. Vol. 160. 111834. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111834
Vantieghem S., Albets-Chico X., Knaepen B. The velocity profile of laminar MHD flows in circular conducting pipes // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2009. Vol. 23. P. 525-533. DOI: 10.1007/s00162-009-0163-0
Artemov V.I., Makarov M.V., Yankov G.G., Minko K.B. Numerical Investigation of the Effect of the Wall Properties on Downward Mercury Flow and Temperature Fluctuations in a Vertical Heated Pipe under a Transverse Magnetic Field // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 218. 124746. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124746
Лучинкин H.A., Разуванов Н.Г., Полянская О. Н., Соколов М.А., Бурдюкова Е.А. Исследование теплообмена при подъемном течении жидкого металла в трубе при смешанной турбулентной конвекции, осложненной влиянием магнитного поля // Инженерно-физический журнал. 2022. Т. 95, № 6. С. 1577-1588.
Votyakov Е.V., Kassinos S.С., Albets-Chico X. Analytic models of heterogenous magnetic fields for liquid metal flow simulations // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2009. Vol. 23, no. 6. P. 571-578. DOI: 10.1007/s00162-009-0114-9
Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.721 с.
Davidson РА. Introduction to Magnetohydrodynamics. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press, 2016. 555 p. DOI: 10.1017/9781316672853
Graham R.L., Lubachevsky B.D., Nurmela K.J., Ostergdrd PR. Dense packings of congruent circles in a circle // Discrete Mathematics. 1998. Vol. 181, no. 1-3. P. 139-154. DOI: 10.1016/S0012-365X (97) 00050-2
Morinishi Y., Lund T.S., Vasilyev О.V, Moin P. Fully Conservative Higher Order Finite Difference Schemes for Incompressible Flow // Journal of Computational Physics. 1998. Vol. 143. P. 90-124. DOI: 10.1006/jcph.1998.5962
Krasnov D., Zikanov O., Boeck T. Comparative study of finite difference approaches in simulation of magnetohydrodynamic turbulence atlow magnetic Reynolds number / /Computers & Fluids. 2011. Vol. 50, no. l. P. 46-59. DOI: 10.1016/j.compfluid.12011.06.015
Zikanov O., Listratov Y.I., Sviridov V.G. Natural convection in horizontal pipe flow with a strong transverse magnetic field // Journal of Fluid Mechanics. 2013. Vol. 720. P. 486-516. DOI: 10.1017/jfm.2013.45
Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах. М.: МЭИ, 2021. 196 с.
Shercliff J.A. Magnetohydrodynamic pipe flow Part 2. High Hartmann number // Journal of Fluid Mechanics. 1962. Vol. 13. P. 513-518. DOI: 10.1017/S0022112062000890
Belyaev I. A., Razuvanov N. G., Sviridov V. G., Zagorsky V.S. Temperature correlation velocimetry technique in liquid metals // Flow Measurement and Instrumentation. 2017. Vol. 55. P. 37-43. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2017.05.004
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.