【摘 要】
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随着太阳能、风能等可再生能源得到大力发展,液态金属电池成为一种非常有前景的大规模高效率储能方案。但电池内部的热对流可能会造成电池短路,这可以通过施加外部磁场来抑制
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随着太阳能、风能等可再生能源得到大力发展,液态金属电池成为一种非常有前景的大规模高效率储能方案。但电池内部的热对流可能会造成电池短路,这可以通过施加外部磁场来抑制。为了探索外加磁场对热对流的作用,本文对简化的Rayleigh-Bénard对流模型进行数值研究。考虑平行平板间一个具有水平周期性的二维计算区域,开发了基于求解不可压Navier-Stokes方程的直接数值模拟程序,其中在垂直方向使用高阶有限差分方法离散、水平方向使用Fourier-Galerkin谱方法离散、时间项使用2阶精度的Adams-Bashforth格式。通过与文献中的结果进行比较,证明了算法和程序可靠性。垂直磁场作用时,水平流动和对流换热强度受到强烈抑制。对于相同的Ra数,随磁场强度的增大,水平速度先迅速下降,之后减缓,而流动状态则分为三个阶段:准湍流区、过渡区和层流区。在层流区涡胞数量随磁场强度增大而增多,涡胞长宽比与水平速度和垂直速度之比正相关。对流换热强度表现出与流动状态对应的三个阶段,先下降后缓慢增大,进入层流区后继续下降。大部分情况下,垂直磁场会降低系统的对流换热强度,在过渡区与层流区的临界参数附近对流换热强度小幅增大。水平磁场作用时,垂直流动和对流换热强度受到强烈抑制。随磁场强度增大,垂直速度迅速下降,进入层流区后缓慢下降,流动状态也表现出与垂直磁场相似的规律,但在层流区由于水平速度与垂直速度的比值减小,涡胞长宽比增大,涡胞数减小。对流换热强度单调减小,但三个阶段的下降速度明显不同。通过比较,发现垂直磁场和水平磁场都抑制了与磁场方向垂直的速度分量,并使稳定对流涡胞结构沿磁场方向拉伸;流动状态均在小磁场强度时更加紊乱,最终完全抑制流动的磁场强度几乎相等。不同的是,水平磁场对流速和对流传热强度的抑制更加剧烈,但需要比垂直磁场时更大的磁场强度才能使不稳定流动转变为层流,说明垂直磁场稳定流体的作用更强。
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