磁流体边界层内流动和传热特性的基础理论研究

Experimental, theoretical and computational studies will be carried out to investigate the fluid flow and heat transfer characteristics of the magnetohydrodynamics (MHD) fluid in boundary layer over a moving sheet. The magnetic field acts transversely to the stretching direction. Lorentz Force appears in the presence of the magnetic field. Lorentz Force can control the MHD boundary flow with no contacting. Further, it can have influences on heat transfer indirectly. The coupled physical behaviors include magnetic field, fluid flow and heat transfer within the boundary layer. Considering the significant temperature difference between the surface and ambient fluid, it is necessary to deal with the effects of the thermal radiation in MHD boundary layer fluid flow for the participating MHD fluid, especially for the optically thin medium. Interaction characteristics among the magnetic field, flow field and temperature field will be analyzed both by experiments and numerical simulations. Numerical simulations will be adopted to study the physical processes based on the experimental data. Finally, comparisons and discussions between the numerical and experimental results will be made. The relationships of the Nusselt number, Prandtl number, Hartmann number and Reynolds number etc. will be studied deeply to analyze the fluid flow and heat transfer characteristics in the MHD boundary.

采用实验结合理论分析和数值模拟的方法，研究磁场作用下连续移动壁面上磁流体边界层内流动和传热规律。在导电流体边界层内施加磁场，其方向可以与壁面垂直或是成某一角度。运动的磁流体中施加不与主流方向平行的磁场时，会在磁流体内部产生洛伦兹力，利用洛伦兹力对磁流体边界层内的流动进行非接触控制，进而间接控制传热。这是集电磁、流动和传热耦合的复杂物理过程。此外，对于一些辐射参与性磁流体介质而言，特别是光学薄介质，当壁面与磁流体主流区温差较大时，辐射换热作为一种重要的换热方式不能忽视。本课题拟通过实验找出磁场、流场和温度场的相互作用规律，通过数值模拟对实验的物理过程进行仿真，将实验结果和数值模拟结果进行对比验证，通过研究Nusselt数、Prandtl数、Hartmann数和Reynolds数等准则数的关联关系，揭示磁流体边界层内流动和传热特性。

针对项目申请时提出的研究内容和目标，认真组织和实施了研究过程，严格按照预算使用了研究经费。研究取得了重要成果,主要包括：边界层N-S控制方程的直接求解的推导工作，高精度高效率的谱算法程序开发工作，对不可压缩粘性导电流体的稳态二维层流流动、传热和传质问题进行了一维配置点谱方法模拟。首先，将二维偏微分控制方程通过李群变换转变为一维高阶常微分方程，相似方程用配置点谱方法进行离散求解；在此基础上，直接模拟稳态二维层流流动、传热和传质的问题。二维直接数值模拟可拉伸平板上纳米流体边界层层流流动、传热和传质的问题。分析二维模拟结果，研究对流换热、布朗运动、热迁移、粘性耗散、传质、外加热源和磁场等对速度边界层、温度边界层和浓度边界层的影响，并讨论流体与壁面的相对速度、普朗特数 、瑞利数 、浮升比 、哈德曼数 、埃克特数 以及刘易斯数 对边界层内流场、温度场和浓度场的影响。辐射磁流体（R-MHD）的辐射效应耦合，系统分析了磁场强度、辐射参数（光学厚度、吸收率、反照率、壁面黑度等）对边界层内磁流体流动与传热行为的影响；重点分析了磁流体力学中热辐射的重要性。研究共发表SCI期刊论文4篇，国际会议论文1篇。对照当初项目申请的研究内容和目标，很好地完成了该自然基金项目。以上系列成果也为今后的磁流体力学、辐射磁流体力学非稳定性分析奠定了雄厚的基础。