(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210978734.1 (22)申请日 2022.08.16 (71)申请人 中国人民解 放军陆军 装甲兵学院 地址 100072 北京市丰台区杜家坎19号院1 号 (72)发明人 白向华　毛保全　赵其进　张新喜　 朱俊臻　杨雨迎　徐振辉　韩小平　 王之千　朱锐　陈春林　 (74)专利代理 机构 北京天奇智新知识产权代理 有限公司 1 1340 专利代理师 谈盼盼 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 圆管内磁气体动力学磁-流-力-热耦合建模 及数值模拟方法 (57)摘要 本发明公开提供的圆管内磁气体动力学磁 ‑ 流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法。 该方法通过 根据圆管壁面的导电性 以及入口处湍流不充分 发展的影 响， 构建了圆管内磁气体动力学流在横 向磁场作用下的物理模型和数学模 型， 并基于计 算流体力学 理论完成了数值求解， 得到了哈特曼 数Ha及壁面电导率比C等因素对圆管内流动和传 热特性的影响规律， 进而通过分析感应电流、 电 磁力和焦耳热的空间分布， 阐明了磁场对流动和 传热特性的调控机理， 有效的解决了当前技术中 存在的局限性问题， 可以广泛用于航空发动机推 力矢量控制、 发动机尾喷管热防护、 磁流体发电 通道热能调控以及身管武器抗烧蚀等应用场景 中， 具有重要的理论 意义和实际应用价 值。 权利要求书4页 说明书11页 附图8页 CN 115329693 A 2022.11.11 CN 115329693 A 1.圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 该方法包 括以下步骤： S1： 构建物理模型， 包括： S11： 对模型及参数设置进行合理的简化， 并做出假设； S12： 在假设基础上， 构建圆管 结构物理模型， 并设定条件； S13： 采用经验公式进行参数计算； S2： 构建数 学模型， 包括： S21： 将电磁力和焦耳热分别加入动量方程和能量方程中， 构建非定常不可压缩的磁 ‑ 流‑力‑热耦合无量纲控制方程， 并对该 方程进行 无量纲化； S22： 进行湍流方程 修正； S3： 数值求解算法及验证， 包括： S31： 求解算法及边界条件； S32： 对流换 热强度的参数表征； S33： 算例验证； S34： 网格无关性检验； S4： 实验模拟与分析； S5： 得出结论。 2.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S12步骤中物理模型为长400mm、 直径d030mm、 管壁厚度1mm的圆管结构， 管 内流体与圆管内壁面间进 行强制对流换热， 换热系数为h， 同时圆管外壁面与外部空气进 行 自然对流换热， 换热系数为he， 沿垂直于圆管轴向方向施加横向磁场， 磁感应强度幅值为 B0， 并将管壁长度和管壁厚度分别记为 L0和Lw。 3.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S12步骤中设定条件， 具体设定方式为： 设定圆管入口的磁气体动力学流的温度T0＝500K， 磁气体在x方向上的初始速度u0＝ 20m/s， 设定管壁初始温度为300K,与外部空气温度一致,将外部空气温度记为T∞， 设定管 壁热导率 λw＝200W/(M ·K)， 圆管内磁气体动力学流的电导率σg＝1000S/m,考虑到管壁绝缘 和导电两种情况， 壁面电导率σw分别设置为0， 1e2S/m,1e4S/m,1e6S/m,1e8S/m,壁面电导率 比C分别为0,0.0067,0.667,66.67以及6667,其中,C＝σwLw/σgr0， r0表示圆管半径， 4.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S13步骤中采用经验公式进行参数计算具体用于进行密度、 定压比热、 粘 性系数和导热系数计算， 并分别记为ρ 、 Cp、 μ和 λ， 其中， ρ 、 Cp、 μ和 λ对应的表达式如下： T为温度； Cp＝4.4438*10‑10T4‑1.49758*10‑6T3+0.001934077T2‑0.814157 7T+1113.69； 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115329693 A 2λ＝(C1T‑1+C2T‑2/3+C3T‑1/3+C4+C5T1/3+C6T2/3+C7T+C8T4/3+C9T5/3)*Λ， 其中C1至 C9以及Λ 为常量。 5.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S21步骤中磁 ‑流‑力‑热耦合无量纲控制方程如下： ▽·( ρ u)＝0， 式中， u为速度矢量， p为压强， t为时间， J为电流密度矢量,B为磁感应强度矢量， J幅为感 应电流幅值， σ 为电导 率， T为磁气体动力学流的温度； 对磁‑流‑力‑热耦合无量纲控制方程进行 无量纲化， 无量钢化后的表达形式如下： ▽*·u*＝0， 式中， u*、 t*、 ρ*、 p*、 μ*、 J*、 B*、 Θ、 λ*、 Cp*、 J幅*分别表示为无量纲速度、 无量纲时间、 无量纲 密度、 无量纲压力、 无量纲粘性系数、 无量纲电流矢量、 无量纲磁感应强度矢量、 无量纲温 度、 无量纲导热系数、 无量纲比热、 无量纲电流幅值， 无量纲参数Re、 N、 Ha、 Pe和Ec分别代表 雷诺数、 斯图尔特 数、 哈特曼数、 佩克莱数和埃克 特数。 6.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S23步骤中进 行湍流方程修正通过采用SSTk ‑ω模型对湍流参数进行求解 和修正， 得到优化后对湍流控制方程， 其中优化后的湍流控制方程表达式为： k方程： ω方程： 上述式中， xj为笛卡尔坐标系下的坐标； ui、 uj分别为笛卡尔坐标系下的速度分量， k为 湍流动能， ω为湍流动能比耗散率， τij为湍流应力， σk和σω分别为湍流动能输运和比耗散率 输运的普朗特数， μt为湍流动力粘度； vt为比湍流运动粘度； αm为磁场作用下的各向异性参 数， γ、 β1、 β2均为湍流模型中的相关系数， F1为湍流模型中的混合 函数。 7.根据权利要求1所述的圆管内磁气体动力学磁 ‑流‑力‑热耦合建模及数值模拟方法， 其特征在于： 所述S31步骤中求解算法用于在有限体积法的理论框架下开展圆管内磁气体 动力学瞬态流动和传热 数值模拟算法； 所述 边界条件具体表达形式如下：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115329693 A 3