[发明专利]磁控等离子体在圆筒内的流动及压力分布研究方法

权利要求书

1.磁控等离子体在圆筒内的流动及压力分布研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算等离子体流动数值，包括以下步骤：

S11：建立等离子体的流体动力模型；

S12：湍流模型；

S13：无量纲参数；

S14：基于FLUENT MHD程序的数值计算模型；

S2：磁约束等离子体流动程序的验证与分析，包括以下步骤：

S21：等截面圆管流动验证；

S22：磁流体动力学效应的验证；

S23：磁约束等离子体管流压降的验证；

在S2中，通过对等截面圆管流动和哈特曼流动进行模拟，验证了等离子体流动数值方法方法及程序的准确性，通过对包含边界层的复杂流场结构进行数值模拟，验证了数值模拟方法在计算湍流方面的性能，针对磁流体动力学效应的数值模拟反映了磁场作用产生的洛伦兹体力对流动的减速作用，验证了程序能够准确反映磁场作用下的边界层结构，此外，进行了不同流量和磁场条件下的压降测量实验，并将实验结果与模拟计算值对比分析，对比结果可以得出，模拟结果与实验测量值相比存在一定的误差，但压力随流量和磁场的变化趋势一致性较好，说明测量结果的可靠和测量技术的可行性，对于造成误差的因素进行了详细的分析，影响压降测量值与理论值间误差的因素主要有压降和流量的测量误差、气体电导率的误差、磁场测量误差，其中，压力和流量的测量导致的误差为试验误差的主要来源；

S3：研究磁场对圆筒内等离子体流动与压力的分布，包括以下步骤：

S31：计算模型与边界条件；

S32：计算结果分析；

在S3中，结合身管结构特点构建了圆筒模型，选取出口直径为30mm圆筒结构作为研究对象，流动入口位于yoz平面上，流动方向为x正方向，最外层是固体壁面，内层是高温导电流体，外层固体壁面选取钢材料，求解区域包括外层固体壁面和内层流体区域；

对常压下等离子体在圆筒中的流动及压力分布进行了三维数值模拟计算，研究了不同磁场强度、磁场方式和对圆筒内等离子体流动特性的影响，给出了压力分布、速度分布、湍流强度、湍流粘度、洛伦兹体积力等随磁场的变化关系；

S4：研究气体导电率对圆筒内磁约束等离子体流动与压力的分布，包括以下步骤：

S41：计算模型与边界条件；

S42：建立电导率模型；

S43：计算结果分析；

在S4中，在所述圆筒模型的基础上加入了高温气体电导率模型，对不同气体条件下磁约束等离子体在圆筒内的流动特性进行了数值模拟，根据不同气体的电导率变化情况，给出了压力分布、速度分布、温度分布、洛伦兹体积力、湍流强度、湍流粘度等随磁场的变化关系；

所述电导率模型可表示为：

其中，为电子和气体中n种组分的碰撞频率的总和；x_i为第i种气体成分摩尔百分数，Q_i为第i种气体成分与电子的碰撞截面；c_e为电子的平均热运动速度；n_e为气体中自由电子的密度；m_e为电子质量；e为电子电荷；

S5：得出结论；

所述结论包括：

运用感应磁场法求解Mawell方程组得到感应电流，为获得磁场对等离子体湍流的影响，将电磁源项添加到N-S方程和湍流两方程中，从而得到藕合的磁流体动力学方程组，建立了圆筒模型，利用FLUENT MHD程序数值模拟了等离子体在圆筒内的流动过程以及压力场的变化，分析和讨论了不同磁感应强度和气体电导率对磁约束等离子体在圆筒流动时的速度分布、湍流强度、湍流粘度、洛伦兹体积力、压力分布及温度的影响；

在磁约束等离子体圆管流动压降效应的试验中，试验测量数据与数值模拟计算结果存在偏差，误差原因是压降和流量测量之间存在误差；

磁场对等离子体的作用是由洛伦兹力产生的，将影响区域流场的湍流结构、改变流速及压力，当磁场垂直于来流时，随着磁感应强度的增加，湍流强度和湍流粘度减小，无量纲速度分布偏离对数律层速度分布的程度越大，磁场与圆筒相交的切向壁面压力上升，而法向壁面压力降低，沿流动方向入口压力上升出口压力下降，产生了额外的压降，应用1T磁场时，流动的各向异性变得明显，在出口截面内，气体压力沿磁场方向降低10.6％，速度减小了7.7％；垂直磁场方向压力增大23.8％，速度增加14.4％，出口中心压力降低11.7％，速度减小7.9％，此外，不同磁场方向同样影响等离子体的流动特性，平行磁场的作用效果弱于垂直磁场，应用1T平行磁场时，壁面压力降低大2.4％，5T磁场时，壁面压力总体降低9.4％；

磁场和电导率的大小是磁约束等离子体流动控制的决定性因素，在一定范围内提高等离子体电导率可以增强磁场的作用效果，随着气体电导率的增大，等离子体的速度、湍流强度、湍流粘度、出口总压在一定范围内受到抑制，当磁场强度为1T，电导率达到103量级时，顺磁场方向壁面压力上升23.5％，垂直磁场方向壁面压力下降了14.3％，出口总压下降了12.5％，当电导率达到一定量级时，一味的提升电导率来增强磁场对等离子体的控制效果意义不大。

2.根据权利要求1所述的磁控等离子体在圆筒内的流动及压力分布研究方法，其特征在于：在S1中，首先给出了等离子体流动的计算方法和数学模型，在此基础上运用感应磁场方法，将反应电磁作用的电磁源项添加到N-S方程组和RNG k-ε湍流两方程中，模拟磁场对导电流体湍流的影响，利用大型计算流体力学软件FLUENT中的MHD用户自定义子程序与FLUENT软件相结合，藕合流场与电磁场，为后续数值模拟磁约束等离子体圆筒流动奠定了基础。