Υπολογιστική επίλυση προβλημάτων μαγνητορευστοδυναμικής και θερμικής ροής υγρών μετάλλων εντός αγωγών

Abstract

The aim of the present doctorate thesis was the development of an accurate και robust computational methodology for the study of the magnetohydrodynamic flow of an electrically conducting fluid under the effect of an external magnetic field, for large regions of values of the parameters of the flow. The study of the magnetohydrodynamic και thermal flow of an electrically conducting fluid, such as liquid metals, is very important for the estimation of the pressure drop, the heat transfer coefficient και other physical quantities in several engineering applications such as stabilization και control of plasma, fusion reactor blankets, metallurgy, electromagnetic pumps, geology for the study of the inner core of the earth και astrophysics where stars, nebula και relativity jets are studied. The flow is considered as incompressible και laminar και it is studied for the cases of the fully developed και the developing flow in the region between two homoaxial straight or curved ducts of circular cross-sections, under the effect of an external magnetic field. The duct walls are considered as electrically insulated και maintained at uniform temperatures or uniform heat fluxes. The results show that the magnetic field has a significant effect on the velocity distribution και the pressure drop και a minor effect on the heat transfer.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάπτυξη μιας ακριβούς υπολογιστικής μεθοδολογίας για τη μελέτη της μαγνητοϋδροδυναμικής και θερμικής ροής ενός ηλεκτρικώς αγώγιμου ρευστού υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, για μεγάλο φάσμα τιμών των παραμέτρων της ροής. Η μελέτη της διαμόρφωσης της μαγνητορευστοδυναμικής και θερμικής ροής των ηλεκτρικώς αγώγιμων ρευστών, όπως είναι τα υγρά μέταλλα, υπό την επίδραση της εφαρμογής ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, είναι ιδιαίτερα σημαντική για την εκτίμηση της μείωσης της αξονικής βαθμίδας της πίεσης, του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και άλλων φυσικών ποσοτήτων, σε μια σειρά προβλημάτων όπως είναι η σταθεροποίηση και ο περιορισμός του πλάσματος, η ψύξη των αντιδραστήρων σύντηξης με υγρά μέταλλα, η χύτευση μετάλλων με ηλεκτρομαγνητικά μέσα, η χρήση ηλεκτρομαγνητικών αντλιών για υγρά μέταλλα, στη γεωλογία, για τη μελέτη του εσωτερικού της Γης, και στην αστροφυσική όπου μελετώνται μεταξύ άλλων αστέρες, νεφελώματα και σχετικιστικά τζετ. Η ροή θεωρείται ασυμπίεστη και στρωτή, ενώ μελετάται για τις περιπτώσεις της πλήρως ανεπτυγμένης και της αναπτυσσόμενης ροή στην περιοχή μεταξύ δύο ομοαξονικών ευθύγραμμων ή καμπύλων αγωγών κυκλικής διατομής, υπό την επίδραση ισχυρού εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τα τοιχώματα των αγωγών είναι ηλεκτρικώς μονωμένα και ανάλογα με το πρόβλημα βρίσκονται σε διαφορετικές σταθερές θερμοκρασίες ή σε διαφορετικές ροές θερμότητας. Από τα αποτελέσματα προέκυψε πως το μαγνητικό πεδίο έχει πολύ σημαντική επίδραση στην κατανομή της ταχύτητας και στην πτώση πίεσης, ενώ η επίδραση του στη μετάδοση θερμότητας στην περίπτωση των υγρών μετάλλων είναι μηδαμινή.