ent的材料库中。
[0032] 步骤S4中，磁流体力学MHD模块通过命令行激活，具体为： define - models - addon-module. Enter Module Number: [0] I 磁流体力学（Magnetohydrodynamics)是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导 电流体和磁场相互作用的学科。其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流。 磁流体力学将等离子体作为连续介质处理，要求其特征尺度远远大于粒子的平均自由程、 特征时间远远大于粒子的平均碰撞时间，不需考虑单个粒子的运动。运用经典力学方法求 解的输运系数(如扩散、粘性、热传导和电阻系数等）并讨论它们的物理机制。
[0033] 在非导电流体力学的基础上研究导电流体中流场和磁场的相互作用，进行这种研 究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组，包括考虑介质运动的 电动力学方程组和考虑电磁场作用的流体力学方程组。电动力学方程组包含电导率、电容 率、磁导率；流体力学方程组包含粘性系数、热导率、气体比热等物理参量。
[0034] 由于磁流体力学只关心流体的平均效果，因此是一种近似描述的方法，能够解释 等离子体中的大多数现象。磁流体力学模块MHD作为ANSYS Fluent的附加模块而存在。
[0035] Fluent采用有限体积法（FVM)将通用输运方程转换为代数方程，使得数值求解成 为可能。FVM方法在每个网格单元上积分，每个积分单元上都满足质量、动量、能量的守恒法 则。每个网格单元上的积分方程如下：
在ANSYS Fluent中有两种基本的流场和电磁场的親合方法：MagneticInduction Method (磁场感应方法）和Electric Potential Method (电势法)。在本发明实施例中采 用的是第二种方法，即电势法。
[0036] 通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合功能，其中： 动量方程中源项，洛伦兹力：|:桑1||丨(没有磁场时，可忽略） 能量方程中源项，焦耳热
MHD 模块中选择 Solve MHD Equation (求解器方程)和 Include Joule Heating (包含 焦耳热的求解器方程)，求解器控制中选择速度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二 阶迎风 Second Order Upwind。同时，勾选 High Order Term Relaxation (高阶项松弛)选 项帮助收敛。
[0037] 步骤S5中，由于MHD模块中增加了附加的源项，有时候会造成收敛困难，因此可以 在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方程继 续求解。
[0038] 在Fluent中有两种求解器可供选择，分别是pressure-based solver (压力基求 解器）和density-based solver (密度基求解器)。本发明实施例在步骤S6中求解器选择 Pressure-based solver;压力-速度親合方式：SIMPLE (使用压力和速度之间的相互校正 关系来强制质量守恒并获取压力场);空间离散格式：Second Order Upwind。速度场的计算 在两种求解器中都是从动量方程获得，在density-based solver中密度场是从连续性方 程中获得，压力场是从气体状态方程获得，而在pressure-based solver中压力场是直接 从连续性方程和动量方程中获得。
[0039] 步骤S7中，通过ANSYS后处理可以观察速度场、压力场、温度场、电磁场，可以显示 速度矢量、电磁矢量、温度云图、压力云图、电流密度、电压，空间流线等。图3和图4分别示 出了流场的温度和电流密度示意图。
[0040] 通过上述说明可知，本发明克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过 程的诸多困难，采用数值模拟方法，以一种经济、有效的技术手段，对等离子体发生器的物 理过程进行数值模拟，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提 供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手 段。
[0041] 以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范 围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【主权项】
1. 一种等离子体发生器的模拟方法，包括： 步骤Sl，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模； 步骤S2,对所述建立的模型进行网格划分； 步骤S3,设置所述模型的材料和边界条件； 步骤S4,对所述模型加载磁流体力学MHD模块； 步骤S5,初始化流场； 步骤S6,选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式； 步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。2. 根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤Sl建立 的等离子发生器模型中，阴极和三个阳极均由循环水冷却，工作时，首先在阴极和第一阳极 间通过高电压击穿，使周围气体电离，最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极之间，工作气体 从三个进气口注入，被电弧加热后从第三阳极喷出形成等离子体射流。3. 根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体 包括： 在第一进气口、第二进气口和第一阳极的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为 六面体网格；在壁面附近采用棱柱网格加密；所述各网格质量均大于0. 3。4. 根据权利要求3所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，在数值模型中增 加延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极出口的影响。5. 根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体 包括： 常温纯氮气分别从所述三个进气口注入，其中所述三个进气口的进孔尺寸、个数、中心 圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量参数输入到边界条件中；水冷壁面水温和对流换 热系数参数输入到计算边界条件中；假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输 入边界条件中。6. 根据权利要求5所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体 包括： 将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。7. 根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中所 述MHD模块通过命令行激活。8. 根据权利要求7所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中采 用电势法，通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合。9. 根据权利要求8所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4还包 括： 在所述MHD模块中选择求解器方程和包含焦耳热的求解器方程，求解器控制中选择速 度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风格式，同时选择高阶项松弛以帮助收 敛。10. 根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S5具体 包括： 在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方 程继续求解。11.根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S6中， 所述求解器选择压力基求解器，所述速度场压力场耦合方式选择SMPLE，所述空间离散格 式选择二阶迎风格式。
【专利摘要】本发明提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括：步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；步骤S5，初始化流场；步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。本发明克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过程的诸多困难，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105160117
【申请号】CN201510583877
【发明人】吕永红, 陆杰, 陈明周, 刘夏杰, 林鹏, 白冰, 周东升
【申请人】中科华核电技术研究院有限公司, 中国广核集团有限公司, 中国广核电力股份有限公司
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月15日