流向电磁力作用下回旋体局部受热对流换热数值分析

李　辉，　刘宗凯，　周本谋，　江　勇

（1. 南京理工大学 瞬态物理重点实验室， 江苏 南京， 210094； 2. 南京理工大学 先进发射协同创新中心， 江苏 南京， 210094）

流向电磁力作用下回旋体局部受热对流换热数值分析

李辉1，刘宗凯2，周本谋1，江勇1

（1. 南京理工大学 瞬态物理重点实验室， 江苏 南京， 210094； 2. 南京理工大学 先进发射协同创新中心， 江苏 南京， 210094）

文中结合对流换热和电磁流体推进技术的研究， 基于对流换热的能量方程和流场的基本控制方程， 利用开源软件Elmer对流向电磁力作用下低速回旋体局部加热对流换热特性进行了数值分析。研究结果表明， 在回旋体周围施加流向电磁力后， 回旋体对流换热功率增大。通过分析流场的流动情况发现， 随着电磁力增大， 电磁力覆盖范围内的流体获得更多的动能， 使得回旋体近壁面的高温流体更快地远离壁面， 壁面接触到更多的低温流体，产生了更多的热交换， 对流换热功率增大。文中研究可为水中兵器热环境设计及反对抗措施提供参考。

回旋体； 流向电磁力； 对流换热； 局部加热

0　引言

水下航行器和水中兵器在未来武器发展中极可能成为激光武器的重要攻击目标。水下航行器和水中兵器的主要工作环境是海水， 是一种弱导电流体。而激光武器， 是通过高能激光直接对目标特定部位进行照射， 使大量的光子聚焦在目标点上， 致使其表面热量迅速飙升达到破坏阀值进而将目标摧毁。文中以低速回旋体为研究对象，激光作用于回旋体表面后， 回旋体表面将形成局部热源， 从而与周围流场形成对流换热， 因此激光对回旋体的攻击可以简化成局部加热对流换热模型。局部加热对流换热是指流体与回旋体局部受热表面的热量传输， 它是依靠流体质点的移动进行热量传递的， 与流体的流动情况密切相关［1］，属于强迫对流换热。为了节约能源或为了加速、减少散热， 提高对流换热效率的方法也不断被提出， 外磁场流体作用磁流体［2］， 改变热源的振动频率［3-4］， 增大流场的来流速度等。对于回旋体对流换热的研究也已比较成熟［5］。

早在1960年， Gailitis设计了由条状的电极和磁极相互交错分布的电磁场激活板， 将这种激活板置于流动的弱导电溶液中， 在电磁场的作用下，流体的边界层会受到方向一致分布均匀的电磁体力的作用。此外， 这种控制方式可以调控圆柱体绕流流场的分布［6-8］。从而实现控制圆柱绕流流场达到改变流场速度的分布［9］、减少阻力［10］等目的。

文中将采用电磁流动控制方式， 在回旋体表面施加流向电磁力， 增加近壁面流体的动量， 进而影响对流换热功率。对流换热功率是指单位时间内回旋体受热壁面与流体传热热量。

1　控制方程

能量方程

式中: λ为导热系数； Cp为定压比热； ρ为流体密度；T为流体温度； u， v为沿x和y轴方向的速度。

施加电磁力后流体的流动控制方程

式中: V为流体速度； t为时间； P为压力； Re为雷诺数； N为电磁力作用参数； F为电磁力。

式中: σ为电解质的电导率； E0为电场强度； B0为磁场强度； u为来流速度。从式中可以看出， 电磁力作用参数N随着电场强度的变化而变化。电磁力 F在覆盖范围内（d为到柱体的中心轴的距离，0.1 m＜d＜0.3 m）随d的增大指数衰减。

2　计算模型与方法

图1以笛卡尔坐标系定义， 前部半球形球心为坐标原点。

图1　计算模型尺寸图Fig. 1　Dimesion of calculation model

来流速度u∞=6 m/s， 来流温度T∞=300 K， 壁面温度为Ts=370 K。将模型导入到开源软件Elmer，采用有限元法进行数值仿真。

电磁力施加范围和受热区域如图2所示， 其中受热区域在xy面投影面为圆形， 半径Rh=0.03 m。

图2　电磁力覆盖范围图Fig. 2　Coverage of electromagnetic force

3　数值计算结果分析

图3为不同电磁力作用参数下xy截面处流向速度 u的分布图。在未施加电磁力的情况下， 如图3（a）， 回旋体近壁面处和尾部的流体流速较小，尾部有较大的滞止区。比较图3（a）～ （e）可看出， 施加电磁后， 且随着电磁力不断增大， 回旋体近壁面和尾部区域的流体速度不断增大， 尾部滞止区域逐渐减小至消失。

图 4（a）为球截面图， 图 4（b）为不同电磁力作用参数下流向速度 u随到轴线距离与半径比值d/R变化曲线图。由图可以看出， 在未施加电磁力时（曲线N=0）， 随着d/R（d为球截面上某一点到回旋体轴线的距离， 0.1 m＜d＜0.3 m， R=0.1 m为回旋体柱体半径）增大， 速度也一直增大， 直至稳定在u=6 m/s。当施加电磁力后（曲线N=90～360）， 随着d/R增大， 速度是先增大后减小， 拐点均在d/R=1.2附近。出现拐点的原因是: 在施加电磁力后， 使得电磁力覆盖区域的流体获得更多的动能，而电磁力是随着d/R衰减的。对比不同电磁力作用参数下 u-d/R曲线图可以看出， 随着电磁力的增大球形截面处的最大速度值是不断增大的。

图3　5种不同电磁力作用参数下xy截面处流向速度的分布图Fig. 3　Distribution of flow velocity at xy section under five different electromagnetic forces

图 4　球截面图和不同电磁力作用参数下流向速度随比值变化曲线Fig. 4　Spherical section and curves of flow velocity versus ratio for different electromagnetic force action parameters

图5为不同电磁力作用参数下xy截面处温度T分布图。对比 5幅图片可以看出， 随着电磁力的增大， 回旋体近壁面处深色高温区域减小， 这正对应图3和图4中的情况， 随着电磁力增大回旋体周围及尾部的速度增大。由此可以得出， 随着电磁力增大， 回旋体周围及尾部的速度增大，使得近壁面的高温流体更快的离开， 致使该区域的流体保持低温， 流体和回旋体受热区域的温差相对较大， 回旋体对流换热功率增大。

图5　不同电磁力作用参数下xy截面处温度分布Fig. 5　Temperature distribution at xy section for different electromagnetic force action parameters

图6为回旋体对流换热功率P随电磁力作用参数N变化曲线图。由图可知， 随着电磁力的增大， 对流换热功率也不断增大。当未施加电磁力时， 回旋体对流换热功率为6.75 W； 施加电磁力作用参数为 90的电磁力时， 回旋体对流换热功率为8.75 W， 对流换热功率提高了29.63%。当电磁力作用参数为180时， 对流换热功率为9.78 W，对流换热功率提高了44.89%。当电磁力作用参数为270时， 对流换热功率为10.42 W， 对流换热功率提高了 54.37%。当电磁力作用参数为 120时，对流换热功率为 10.87 W， 对流换热功率提高了61.03%。

图6　回旋体对流换热功率随电磁力作用参数变化曲线Fig. 6　Curve of convective heat transfer power of solid of revolution versus different electromagnetic force action parameters

4　结束语

文中研究了流向电磁力对激光作用下回旋体表面对流换热的影响， 当在回旋体表面施加流向电磁力后， 回旋体对流换热的功率得到了很大的提高。文中研究可为水中兵器热环境设计及反对抗措施研究提供参考。未来的研究中， 将结合对流换热的情况， 研究回旋体内部的毁伤。

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（责任编辑:许妍）

Convective Heat Transfer on Solid of Revolution with Local Heating under Flow-Directional Electromagnetic Force

LI Hui1，LIU Zong-kai2，ZHOU Ben-mou1，JIANG Yong1
（1. Science and Technology on Transient Physics Laboratory， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China； 2.Advanced Launch Collaborative Innovation Center， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

In this paper， based on the energy equation of convective heat transfer and the basic control equations of flow field， simulation is conducted with the software Elmer to analyze the local convective heat transfer characteristics of the solid of low velocity revolution under the action of flow-directional electromagnetic force. The results show that the power of convective heat transfer increases when the electromagnetic force is exerted around the solid of revolution， and with the increase in the electromagnetic force， the fluid within the scope of the electromagnetic force gains more motion energy to drive the high temperature fluid near the wall of the solid of revolution leaving away more rapidly， thus the wall can contact more low-temperature fluid， resulting in more heat exchange and higher convective heat transfer power. The research in this paper can provide reference for the design of the thermal environment of the underwater weapon and the counter measures.

solid of revolution； flow-directional electromagnetic force； convective heat transfer； local heating

TJ630.1； O361； TK124

A

1673-1948（2016）05-0321-04

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.001

2016-08-10；

2016-08-31.

中国博士后基金（2015M571756）、江苏省自然科学青年基金（BK20140792）、江苏省博士后基金（1401123C）.

李辉（1990-）， 男， 硕士， 主要从事电磁流体控制研究.