磁场作用下复杂几何腔体内液态金属混合对流稳定性的数值研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11872151
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0908.多场多介质耦合与流动控制
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The flow and heat and mass transfers of the electrically conductive fluids, which can be widely found in new energy, new materials and other emerging industries, is a multi-physical field coupling nonlinear problem covering the flow field, magnetic field, temperature field and concentration field. The studies for the flow and heat and mass transfer in the complex geometrical enclosure under the magnetic field are the advanced topics for non-equilibrium dynamics, magnetohydrodynamics (MHD) and their application fields, which have attracted the interest of an increasing number of researchers in view of their wide applications in many emerging industries. In this project, an accurate, efficient and robust compact difference solver will be firstly established and developed for simulating the governing equations in an arbitrary curvilinear coordinates. Then, using the high-order accurate solver proposed in the project, direct numerical simulations mixtures binary convection of liquid metal in the difference geometrical enclosures with and without an external magnetic field are carried out. Instabilities, bifurcation, nonlinear evolutions of the flow field, and the characteristics of heat and mass transfer are investigated. The mechanisms of different convective states and its dependency on the parameters are also analyzed. This project will contribute to extend and enrich the research contents of self-organization pattern formation and stability of many nonlinear dissipative systems. Moreover, this study will help to reveal the pattern formation and dynamic characteristics of binary mixtures convection of the liquid metal, and also develop necessary theoretical basis for effectively predicting and controlling the convective process of fluid mixtures in industry productions and engineering applications, in which non-equilibrium phenomena are involved.
磁场作用下导电流体流动与热质传递问题广泛存在于新能源、新材料等新兴工业产业中,其主要特征是流场、磁场、温度场和浓度场等多物理、强非线性耦合,对该问题中自组织时空结构形成及其稳定性的深入研究,是非平衡动力学及其应用领域中的前沿性课题。本项目拟采用发展的任意曲线坐标系下高效、鲁棒的高精度求解器,针对外磁场作用下不同几何形状腔体中液态金属混合对流系统进行数值模拟,研究对流的不稳定性,分岔以及流场的非线性演化和对流传热传质特性,分析流动状态的形成和稳定机理以及参数依赖性等。本项目的实施,有利于深刻揭示混合流体对流系统斑图形成及其动力学特性、准确模拟磁场作用下复杂几何腔体内液态金属混合对流过程,为预测和控制涉及非平衡现象的工业生产中混合对流过程提供必要的理论依据。

结项摘要

外磁场作用下电流体混合对流问题广泛存在于新能源、新材料等新兴工业产业和前沿科学研究领域中,其涉及了热磁流体流动特性、传热传质特性以及流体力学稳定性等基础理论问题,对其中自组织时空结构形成及其稳定性的深入研究,是非平衡动力学及其应用领域中的前沿性课题。因此,针对外磁场作用下复杂几何外形腔体内导电流体混合对流的稳定性问题开展基础理论研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目基于纯流函数或流函数-速度形式Navier-Stokes(N-S)方程,研发了求解磁场作用下复杂几何外形腔体中液态金属混合对流问题的高效、鲁棒的高精度求解器,并在此基础上实现了外磁场作用下复杂几何外形腔内混合流体对流的稳定性与非线性动力学特性的数值模拟研究。. 通过本项目支持,课题组已完成与项目研究内容相关的学术论文18篇(包括成果中列出的12篇发表论文),完成研究生学位论文3篇。本项目取得的主要研究成果如下: 1)针对一类高阶迎风紧致差分格式,提出了一种新的子域边界逼近格式的并行化策略,使其保持了内点处与紧致格式一致的精度和色散特性;2)提出了构造低成本且不损失精度的耗散可调格式的新思路,构造了一种3点4阶耗散可调迎风格式。3)发展了求解二维纯流函数N-S方程整体达到三阶精度的迎风紧致差分算法;建立了任意曲线坐标系下二维流函数-速度形式N-S方程的4阶紧致格式,并成功地求解了复杂几何区域的定常、非定常流动问题。4)建立了三维不可压N-S方程的保物理纯流函数(矢量势)公式,构造了鲁棒的高分辨率四阶紧致格式,并推广发展了任意曲线坐标系下三维流函数公式高阶紧致差分格式。5)数值研究了磁场作用下导电流体流动与传热传质系统中几何外形效应、流动稳定性以及传热传质特性与无量纲参数或物性参数的依赖关系。完成项目及后续进一步取得的成果可为预测和控制涉及非平衡现象的工业生产中混合对流过程提供必要的理论依据。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Traveling-Wave Convection with Periodic Source Defects in Binary Fluid Mixtures with Strong Soret Effect.
强索雷效应二元流体混合物中具有周期性源缺陷的行波对流
  • DOI:
    10.3390/e22030283
  • 发表时间:
    2020-02-29
  • 期刊:
    Entropy (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zheng L;Zhao B;Yang J;Tian Z;Ye M
  • 通讯作者:
    Ye M
Exponential high-order compact finite difference method for convection-dominated diffusion problems on nonuniform grids
非均匀网格上对流主导扩散问题的指数高阶紧致有限差分法
  • DOI:
    10.1080/10407790.2019.1607115
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    F. Tian;Y. B. Ge;Z. F. Tian
  • 通讯作者:
    Z. F. Tian
Exponential compact ADI method for a coupled system of convection-diffusion equations arising from the 2D unsteady magnetohydrodynamic (MHD) flows
用于二维非定常磁流体动力学 (MHD) 流产生的对流扩散方程耦合系统的指数紧凑 ADI 方法
  • DOI:
    10.1016/j.apnum.2019.07.003
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    Applied Numerical Mathematics
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    S Wu;B Peng;ZF Tian
  • 通讯作者:
    ZF Tian
Numerical simulation for 2D double-diffusive convection (DDC) in rectangular enclosures based on a high resolution upwind compact streamfunction model I: numerical method and code validation
基于高分辨率迎风紧凑流函数模型的矩形外壳内二维双扩散对流(DDC)数值模拟I:数值方法和代码验证
  • DOI:
    10.1007/s10483-022-2895-6
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
    Applied Mathematics and Mechanics-English edition
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    YP Yan;S Wu;K Tian;ZF Tian
  • 通讯作者:
    ZF Tian
A Novel Parallel Computing Strategy for Compact Difference Schemes with Consistent Accuracy and Dispersion
具有一致精度和色散的紧致差分格式的新型并行计算策略
  • DOI:
    10.1007/s10915-020-01383-x
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
    Journal of Scientific Computing
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    JQ Chen;PX Yu;H Ouyang;ZF Tian
  • 通讯作者:
    ZF Tian

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其他文献

求解非定常不可压Navier-Stokes方程的一种高精度并行算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    复旦学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    倪诗浩;田振夫
  • 通讯作者:
    田振夫
高维热传导方程的高精度交替方向隐式方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    上海理工大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    田振夫;吴文权;葛永斌
  • 通讯作者:
    葛永斌
非定常NS/Boussinesq方程高精度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    工程热物理学报,25(4):575-578,2004
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    葛永斌;吴文权;田振夫
  • 通讯作者:
    田振夫
二维对流扩散方程非均匀网格上的高阶紧致差分方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    水动力学研究与进展A辑
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    田振夫;田芳
  • 通讯作者:
    田芳
一维对流扩散方程的4种差分格式的Jacobi迭代收敛性比较
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    宁夏大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    常娟;田振夫;田芳
  • 通讯作者:
    田芳

其他文献

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田振夫的其他基金

磁场作用下导电流体流动与传热问题的高精度数值方法与数值模拟
  • 批准号:
    11372075
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    80.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
非定常不可压磁流体力学方程组的显式算法及其应用研究
  • 批准号:
    91330112
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    70.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划
非定常不可压流的显式紧致差分算法研究
  • 批准号:
    10972058
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    38.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 资助金额:
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相似海外基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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