使用 Maxwell-Navier-Stokes 方程的聚变能应用中液态壁流的数值建模
计算物理
2024-11-20 v1
摘要
在 Z-Pinch 聚变过程中, 电流从等离子体柱注入液态金属, 产生洛伦兹力使液态金属的自由表面变形。对这一现象进行建模对于评估将液态金属用作聚变装置中电极壁的可行性至关重要。传统上, 这类液态金属暴露于电磁力的问题采用磁流体力学(MHD)公式进行建模, 该公式更适合没有外部电流穿透液态金属的情况。MHD 公式通常对液态金属在外部磁场存在下流动的情况进行建模, 其中初始磁场已知并通过磁感应方程随时间演化。然而, 在 Z-Pinch 聚变装置中, 电流穿透并穿过液态金属, 需要对初始磁场进行数值计算。此外, 液态金属表面的变形改变了电流路径的几何形状及由此产生的磁场, 使得传统的 MHD 公式不再适用。本研究通过直接求解 Maxwell 方程(而非磁感应方程)并结合 Navier-Stokes 方程来解决这一问题, 从而使得在流体运动时也能预测磁场。Maxwell 方程以势函数形式与 Navier-Stokes 方程一同求解, 采用有限体积数值方法在同位网格布置上进行。所提出的数值框架成功捕捉了由外加电流引起的液态金属自由表面的变形。
引用
@article{arxiv.2411.11865,
title = {Numerical Modeling of Liquid Wall Flows for Fusion Energy Applications Using Maxwell-Navier-Stokes Equations},
author = {Suresh Murugaiyan and Stefano Brizzolara},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.11865},
year = {2024}
}