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山东大学学报 (工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (1): 101-106.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.417

• 机械工程 • 上一篇    下一篇

新型液态金属磁流体发电动力学特性数值模拟

张宇磊(),王勇*(),谢玉东,孙光,王艳芸,韩家桢   

  1. 山东大学机械工程学院, 山东 济南 250061
  • 收稿日期:2018-09-25 出版日期:2019-02-01 发布日期:2019-03-01
  • 通讯作者: 王勇 E-mail:1184746557@qq.com;meywang@sdu.edu.cn
  • 作者简介:张宇磊(1992—)，男，江苏淮安人，硕士研究生，主要研究方向为液态金属磁流体发电技术.E-mail: 1184746557@qq.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(51875316)

Numerical simulation on kinetics characteristics of liquid metal MHD generator

Yulei ZHANG(),Yong WANG*(),Yudong XIE,Guang SUN,Yanyun WANG,Jiazhen HAN   

  1. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
  • Received:2018-09-25 Online:2019-02-01 Published:2019-03-01
  • Contact: Yong WANG E-mail:1184746557@qq.com;meywang@sdu.edu.cn
  • Supported by:
    国家自然科学基金资助项目(51875316)

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摘要：

为获得新型液态金属磁流体发电机的流动规律,对空载发电通道动力学特性进行三维数值模拟研究。采用基于Fluent软件的感应磁场法和修正的K-ε湍流模型保证计算精度;对比分析近壁面和中心层的速度及电磁力分布;定义速度波动程度,选取不同物理参数,对发电有效段下游的速度剖面及其波动程度量化分析。结果表明,发电有效段下游速度波动程度最大,速度剖面及其波动程度受发电通道参数的影响明显。当通道宽度相同时,相互作用参数决定速度剖面波动程度,相互作用参数与速度波动程度成正比;随着宽度增大,相互作用参数对速度波动程度影响下降。

关键词: 液态金属磁流体, 动力学特性, 数值模拟, 速度波动, 相互作用参数

Abstract:

In order to get the flowing law in a liquid metal magnetohydrodynamics(MHD) generator channel, three-dimensional numerical studies on kinetics characteristics of open circuit generators were carried out. A magnetic induction method and a modified K-ε turbulence model based on Fluent were adopted to ensure the calculation precision. A comparative analysis of the velocity and force distribution of near-wall and core was made. The velocity fluctuation was defined and different physical parameters were chosen. The velocity profiles and fluctuations downstream of the effective section were analyzed quantitatively. The results showed that, the velocity fluctuations reached maximum at downstream of the effective section and channel parameters had a significant impact on velocity profiles. The channel width being kept constant, the interaction parameter determined the velocity fluctuation and the velocity fluctuation was proportional to the interaction parameter. As channel width increased, the impact of interaction parameters on velocity fluctuations declined.

Key words: liquid metal magnetohydrodynamics, kinetics characteristic, numerical simulation, velocity fluctuation, interaction parameter

中图分类号: 

  • TH113.2

图1

LMMHD发电通道物理模型"

表1

镓铟锡合金属性"

材料 ρ/(kg·m-3) μ/(Pa·s) σ/(S·m-1)
镓铟锡合金 6.44×103 0.24×10-2 2.24×106

图2

Kobayashi算例速度剖面"

图3

近壁面与中心层速度分布图"

图4

近壁面与中心层洛伦兹力分布图"

图5

速度分布三维图"

图6

不同磁场时速度分布剖面图"

图7

波动程度与入口速度的关系"

图8

波动程度与通道宽度的关系"

表2

相互作用参数相同时主要计算数据"

序号 U/
(m·s-1)		 B0/T vmax/
(m·s-1)		 vmin/
(m·s-1)		 k
1 0.16 0.4 0.31 0.07 3.126
2 0.25 0.5 0.48 0.12 3.146
3 0.36 0.6 0.70 0.17 3.159
4 0.64 0.8 1.25 0.30 3.170
5 1.00 1.0 1.96 0.47 3.173

表3

波动程度与相互作用参数的相关系数表"

通道宽度L/m 皮尔森相关系数r
0.05 0.999
0.10 0.993
0.20 0.990
0.50 0.981

图9

不同通道宽度下波动程度与相互作用参数的关系图"

1 赵凌志, 彭燕, 沙次文, 等. 新型液态金属磁流体发电机的等效电路模型[J]. 电力自动化设备, 2011, 31 (12): 21- 31.
doi: 10.3969/j.issn.1006-6047.2011.12.004
ZHAO Lingzhi , PENG Yan , SHA Ciwen , et al. Equivalent circuit model of liquid metal magnetohydrodynamic generator[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31 (12): 21- 31.
doi: 10.3969/j.issn.1006-6047.2011.12.004
2 TIMOTHY M, RYNNE. Ocean wave energy conversion system: 5136173[P]. 1992-08-04.
3 YAMADA K , MAEDA T , HASEGAWA Y , et al. Two-dimensional numerical simulation on performance of liquid metal MHD generator[J]. Electrical Engineering in Japan, 2006, 156 (1): 25- 32.
4 YAMADA K , MAEDA T , HASEGAWA Y , et al. Three-dimensional numerical analysis of a liquid metal MHD generator[J]. Electrical Engineering in Japan, 2007, 160 (3): 141- 146.
5 HU L C , KOBAYASHI H , OKUNO Y . Analyses on response of a liquid metal MHD power generation system to various external inputs[J]. IEEE Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2015, 10, 268- 273.
doi: 10.1002/tee.2015.10.issue-3
6 ZHAO L Z, PENG Y, SHA C W, et al. Effect of liquid metal characteristics on performance of LMMHD wave energy conversion system[C]//Proceedings of the 19th International Offshore and Polar Engineering Conference. Osaka, Japan: ISOPE, 2009: 308-311.
7 LIU B L, PENG Y, ZHAO L Z, et al. Hydrodynamic modelling of heaving buoy wave energy conversion system with liquid metal magnetohydrodynamic generator[C]//Proceedings of the 21st International Offshore and Polar Engineering Conference. Hawaii, USA: ISOPE, 2011: 695-700.
8 LIU B L , LI J , PENG Y , et al. Experimental and numerical investigation of magnetohydrodynamic generator for wave energy[J]. Journal of Ocean and Wind Energy, 2015, 1 (2): 21- 27.
9 王勇,孙光,崔艳,等.鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法: 201610191945.5[P]. 2016-03-30.
10 HARTMANN J . Theory of the laminar flow of an electrically conductive liquid in a homogeneous magnetic field[J]. Math.-fys. Medd, 1937, 15 (6): 1- 28.
11 SHERCLIFF J A . Steady motion of conducting fluids in pipes under transverse magnetic fields[J]. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 1953, 49, 136- 144.
doi: 10.1017/S0305004100028139
12 HUNT J C R . Magnetohydrodynamic flow in rectangular ducts[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1965, 21 (4): 577- 590.
doi: 10.1017/S0022112065000344
13 STERL A . Numerical simulation of liquid-metal MHD flows in rectangular ducts[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1990, 216 (1): 161- 191.
14 KOBAYASHI H , SHIONOYA H , OKUNO Y . Turbulent duct flows in a liquid metal magnetohydrodynamic power generator[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2012, 713, 243- 270.
doi: 10.1017/jfm.2012.456
15 HUANG Z Y , LIU Y J , WANG Z Y , et al. Three-dimensional simulations of MHD generator coupling with outer resistance circuit[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2015, 54, 1- 18.
doi: 10.1016/j.simpat.2015.02.006
16 HU L C. Numerical study of performance and turbulent flows in a liquid metal MHD generator[D]. Tokyo: Department of Energy Sciences, Tokyo Institute of Technology, 2015.
17 ZHAO L Z, PENG Y, SHA C W, et al. End effect of liquid metal magnetohydrodynamic generator in wave energy direct conversion system[C]//International Conference on Sustainable Power Generation and Supply, 2009. Supergen. Nanjing, China: IEEE, 2009: 1-6.
18 SMOLENTSV S , ABDOU M , MORLEY N , et al. Application of the "K-ε" model to open channel flows in a magnetic field[J]. International Journal of Engineering Science, 2002, 40, 693- 711.
doi: 10.1016/S0020-7225(01)00088-X
19 吴其芬, 李桦. 磁流体力学[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2007: 49- 52.
20 SUBRAMANIAN S , SWAIN P K , DESHPANDE A V , et al. Effect of Hartmann layer resolution for MHD flow in a straight, conducting duct at high Hartmann numbers[J]. Indian Academy of Sciences, 2015, 40 (3): 851- 861.
[1] 刘启明,王文辉,潘英楠,高要辉,郑程程,贺鹏. 厚度缺陷对初支结构安全性的影响及风险评价[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(5): 165-178.
[2] 义扬,肖映雄,余科. 任意多边形骨料混凝土细观模型的建立与数值模拟[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(1): 97-107.
[3] 陈文举, 陈俐企, 包春波, 朱启银, 惠冰, 庄培芝. 循环管道加热桥面融雪效能数值模拟[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(6): 100-110.
[4] 胡涛涛,李禹,高咸超. 考虑应变率和层理倾角的炭质板岩动力学特性及本构模型[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(5): 122-131.
[5] 马川义,冯豪杰,蒋红光,侯天新,姚占勇,杨为民. 吸水土工布对路基湿度控制效果的数值模拟[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(4): 141-149.
[6] 韩超,王彤,陈德文,孙恩赐,李平,吴则祥,周冲,庄培芝. 基于耦合欧拉-拉格朗日方法的砂土中静压桩挤土效应数值模拟[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(2): 143-152.
[7] 王钰鑫,吕思忠,姚望,林春金,张明,李召峰,张健,王衍升. 粉质黏土地层桩侧劈裂注浆参数设计与效果评价[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(6): 70-81.
[8] 张亚平,马唯婧,张宸硕,肖辉,张一鸣. 基于图像识别与CAE仿真技术的输变电塔一体化分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(6): 122-130.
[9] 宋洋,罗志恒,张波,张宇,朱敏. 裂隙位置对类岩体短柱单轴压缩破坏形态影响[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(5): 121-131.
[10] 王心泉,王智猛,牛犇,蒋恒,冯春. 8度地震烈度区新民隧道出口处边坡的稳定性[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(3): 23-30.
[11] 孙杰,张宏博,程钰,刘羽,张洪波,刘志鲲. 基于TDA填料的废旧轮胎条带加筋砂土边坡承载特性[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(1): 49-59.
[12] 牛犇,张新伟,周玉,李婧,徐兴全,张一鸣. 基于连续-非连续元降雨工况三维边坡稳定性分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(1): 92-99.
[13] 郭鹏宁,刘巍,袁浩,冯硕,王延刚. 基于微元离散模型的螺旋挤压脱水效率分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(1): 114-121.
[14] 张一鸣,李赟鹏,李婧,丛俊余. 孔隙裂隙介质多场耦合数值计算进展[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(6): 63-78.
[15] 郑卫琴,许杰,孙杰,武科. 复合地层TBM隧道管片受力特征[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(4): 210-213.
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[1] 李 侃 . 嵌入式相贯线焊接控制系统开发与实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 37 -41 .
[2] 来翔 . 用胞映射方法讨论一类MKdV方程[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 87 -92 .
[3] 余嘉元1 , 田金亭1 , 朱强忠2 . 计算智能在心理学中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 1 -5 .
[4] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81 -85 .
[5] 王波,王宁生 . 机电装配体拆卸序列的自动生成及组合优化[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 52 -57 .
[6] 张英,郎咏梅,赵玉晓,张鉴达,乔鹏,李善评 . 由EGSB厌氧颗粒污泥培养好氧颗粒污泥的工艺探讨[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(4): 56 -59 .
[7] Yue Khing Toh1 ， XIAO Wendong2 ， XIE Lihua1 . 基于无线传感器网络的分散目标跟踪：实际测试平台的开发应用（英文）[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 50 -56 .
[8] 孙炜伟,王玉振. 考虑饱和的发电机单机无穷大系统有限增益镇定[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 69 -76 .
[9] 孙玉利,李法德,左敦稳,戚美 . 直立分室式流体连续通电加热系统的升温特性[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(6): 19 -23 .
[10] 王勇, 谢玉东.

大流量管道煤气的控制技术研究

[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 70 -74 .
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