磁流體推進的研究

姓名：婁樹旗 學號：20090916 班級：04120901 專業(yè)：電子科學與技術（光電子方向）

摘要：磁流體推進是利用海水中電流與磁場間的相互作用力使海水運動而產(chǎn)生推力的一種推進方法，可用于船舶、魚雷、潛艇等水中作業(yè)工具，具有振動小、噪聲低、操作靈活等優(yōu)良特點。由于超導磁體的應用，目前磁流體推進技術已處于推進實用化研究階段，大部分科學難題都已得到解決，但仍有少部分問題沒有得到有效解決，比如如何完善超導材料及磁體技術。為了能夠找到克服技術難題的關鍵，必須從工作原理對磁流體推進技術作詳細的敘述，對磁流體推進器作系統(tǒng)的分析和對比，從中發(fā)現(xiàn)線索，找到突破口。

關鍵詞：磁流體推進；超導磁體；工作原理

一、引言：

傳統(tǒng)的船舶動力來源一般是人力、自然力、機械力，既耗時又耗力?，F(xiàn)代船舶改用電力

作為推動裝置，大大簡化了操控過程，再加上核能發(fā)電技術的日益完善，現(xiàn)代船舶航行現(xiàn)狀大為改觀，船速更快，船向變化更靈敏。而磁流體概念的誕生又為現(xiàn)代推進技術增加了改進的可行性。

二、磁流體推進的工作原理：

法拉第研究出電與磁的關系后，世人對電磁之間的關系產(chǎn)生了極大的興趣，以至于電磁技術在短時間內(nèi)得到了長足的發(fā)展。磁流體推進技術便是電與磁相互作用的結果。

帶電離子或者通電直導線在磁場中會受到力的作用，帶電粒子受的力叫洛倫茲力，通電

導線受的力叫安培力。該力與離子運動速度或者導體棒中的電流滿足左手系，即伸直左手，讓磁感線垂直穿過手心，四指指向離子運動或導體棒中電流的方向，大拇指的指向就是帶電粒子或者通電直導線受到的力的方向。磁流體推進技術就是依據(jù)以上的基本原理發(fā)展起來的。

我們先看一個磁流體推進簡圖（右圖所示）。

此圖為磁流體推進最簡單的矩形通道圖，該矩形長、寬、高分別為L、a、b，電流大小為I,電流密度為，電源電動勢為E，穿過絕緣板的磁場的磁感應強度為B，海水受力，矩形通道受力為，海水流速為，船速為。

磁流體推進是把海水作為導電體，利用磁體在通道內(nèi)建立磁場，通過電極向海水供電。當海水進入通道經(jīng)過電流時，海水成為載流體，載流海水在垂直于它的磁場中受到力的作用，力的方向與海水在通道內(nèi)的運動一致。海水受力的反作用力——推力，推動船舶向前運動。

假設導線為理想導線（即電阻為零），則兩金屬板間的電壓為E，將通過通道的海水看做電阻，設海水的電導率為，則：

通道內(nèi)海水的電阻：；                                (1)

通過該“電阻”的電流大小為：；                             (2)

電流密度為。                                             (3)

將該矩形通道置于空間坐標系中（如上圖所示），取一體積為的微元，將其看做一根載流直導線，其上電流為，則根據(jù)左手定則，該微元受到的安培力為：，方向與海水流速方向相同。在整個矩形通道內(nèi)積分，得出海水在通道內(nèi)所受的總的電磁力為：。         (4)

結合公式（1）（2）（3）可得：（此力也是海水作用于船體的力）；（5）

這里的是在流體速度為零的情況下計算出來的，實際上，推進器的推力還和流體的流速有關，實驗證明，推進器的推力與流體流速成正比，即：      （6）

（為比例系數(shù)，<0； 為常數(shù)）。

船在行進過程中除了推進器提供動力外，還要受到阻力的作用，阻力是由水及空氣與船體表面的摩擦以及船舶運動引起的波浪和漩渦產(chǎn)生的，這里為了簡便起見，統(tǒng)稱這些阻力為流體阻力。該阻力的大小與船體的形狀、流體的性質(zhì)以及船體相對于流體的速率有關。速率越大，阻力越大。當物體在流體中作低速運動時，流體阻力近似與速率成正比；高速時，流體阻力近似與速率的平方成正比。

當船體運動達到穩(wěn)定時，可以認為流體阻力與船速的平方成正比，即：

（為常數(shù)）                                             （7）

若設船的質(zhì)量為，運動時的加速度為，則由牛頓第二定律可得：

                                                  （8）

考慮流速所引起的壓力的變化，利用伯努利方程：

常量 或者    （9）（其中項與流速有關，稱為動壓強；P和則稱為靜壓強）

由伯努利方程可知：流速高的地方壓力低，流速低的地方壓力高。因此當船速很高時，通道內(nèi)的海水的壓強會變低，通道外海水壓強高于其內(nèi)海水壓強，這也是阻力增大的一個重要原因。

由上可知，船體受力不僅與流體電導率有關，還與流體流速有關。通過增大流體電導率可以增大磁流體推進器的推力；通過改進船身構造和材料可以減小流體阻力，進而實現(xiàn)船體的高速運行。

三、磁流體推進器分類：

前面所述磁流體模型是最簡單的，屬線性磁流體推進器，科學家所研究的和實驗船所采用的磁流體推進器都要比前述模型復雜的多。下面將對磁流體推進器的分類作一概括。

按照通道形狀可以將其分為線性、螺旋形、環(huán)形和平板型，它們的工作原理都是一樣的，但實際效果不同。

螺旋形磁流體推進器可以分為單螺旋、雙螺旋、多螺旋三種情況，這三種情況的實際作用效果也是不一樣的，多螺旋磁流體推進器的效率更高，在電流相等的情況下可以提供更大的推力，但結構復雜，成本高。       

環(huán)形磁流體推進器可以分為單環(huán)和多環(huán)，單環(huán)磁流體推進器的磁體還可以分為跑道型和工字型兩類。跑道型磁體漏磁比較大，磁能利用率偏低，而工字型磁體由于結構不同，漏磁較跑道型要小，磁能利用率高。

平板型磁流體推進器按磁體和電極的布局可以分為豎板和臥板兩類。豎板磁流體推進器由于地磁場的影響會產(chǎn)生不平衡的推力，而臥板磁流體推進器由于磁體臥置，其磁場軸線與地磁場軸線垂直，消除了地磁場的影響。

四、磁流體推進缺點剖析：

前面已經(jīng)說了，磁流體推進是一項偉大的科學手段，其優(yōu)點有很多，比如安靜、高速運行，布局比較靈活，操作比較容易等。但任何一項科研成果都是既有利又有弊，磁流體推進技術也不例外，它有以下幾個缺點：

（1） 產(chǎn)生氣泡

由于磁流體推進器中有兩個電極，而海水又是電解質(zhì)，因此，在電極處會有海水的電離，所產(chǎn)生的和等氣體融入水中便成為氣泡。氣泡進入海水中后會使海水的電導率降低，影響船的運行；另外，若氣泡聚集在電極附近，則會使電極與海水接觸的界面電阻增加，同樣影響船速。

（2） 有噪聲

前面說的安靜運行只是相對的，其實磁流體推進器在工作時產(chǎn)生的氣泡進入海水中會破裂，產(chǎn)生一定的噪聲。對于要求隱蔽性能很好的潛艇來說，這種缺點是致命的。

（3） 漏磁現(xiàn)象

為了產(chǎn)生足夠大的推力，需要有足夠大的磁場，目前科學家正在嘗試利用超導磁體產(chǎn)生強磁場的方法增大推力。但是，任何磁體都會存在漏磁現(xiàn)象，而且由于磁體的不同，結構的迥異，漏磁多少不一。漏磁會降低磁場強度，從而減小推力，影響船的正常運行。

（4） 環(huán)境污染

磁流體通道產(chǎn)生的“合成”海水中含有等污染物，它會影響海藻、甲殼類等海洋生物的生長。

五、發(fā)展前景：

磁流體推進技術是一項先進的、前沿的、復雜的科學技術，它涉及電磁學、流體力學、電化學等多種學科，綜合性強，它會成為21世紀船舶主要的動力系統(tǒng)。雖然還有許多技術難題有待解決，但磁流體推進理念已經(jīng)相當完善，相信隨著科技的飛速發(fā)展和新技術新工藝的出現(xiàn)，這些技術難題一定會被攻克。從依靠自然力推進到發(fā)明電力推進，百余年悄然走過；從磁流體理念誕生到如今磁流體推進技術的逐漸完善，短短30年見證一切。磁流體推進技術的日新月異必將帶來新的技術革命，它的意義可以與飛機的噴氣推進代替螺旋槳推進相媲美。

 參考文獻：

[1]磁流體推進/譚作武，惲嘉陵編著·-北京：北京工業(yè)大學出版社，1999

[2]大學物理·上冊/茍秉聰，胡海云主編·-北京：國防工業(yè)出版社，2009.1

[3]大學物理·下冊/茍秉聰，胡海云主編·-北京：國防工業(yè)出版社，2010.1

[4]磁流體力學/吳其芬，李樺編著·-長沙：國防科技大學出版社，2007.1