磁流體力學(xué)

磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的方法，研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科，它包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支。

磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)力作用于靜平衡的問(wèn)題；磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用的動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)規(guī)律。磁流體力學(xué)通常指磁流體動(dòng)力學(xué)，而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動(dòng)力學(xué)的特殊情形。

導(dǎo)電流體有等離子體和液態(tài)金屬等。等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配。宇宙中的物質(zhì)幾乎全都是等離子體，但對(duì)地球來(lái)說(shuō)，除大氣上層的電離層和輻射帶是等離子體外，地球表面附近(除閃電和極光外)一般不存在自然等離子體，但可通過(guò)氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對(duì)論電子束和激光等方法產(chǎn)生人工等離子體。

能應(yīng)用磁流體力學(xué)處理的等離子體溫度范圍頗寬，從磁流體發(fā)電的幾千度到受控?zé)岷朔磻?yīng)的幾億度量級(jí)(還沒(méi)有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學(xué)同物理學(xué)的許多分支以及核能、化學(xué)、冶金、航天等技術(shù)科學(xué)都有聯(lián)系。

1832年M.法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問(wèn)題。他根據(jù)海水切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的想法，測(cè)量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測(cè)出流速，但因河水電阻大、地球磁場(chǎng)弱和測(cè)量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年J. F.哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對(duì)水銀在磁場(chǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)流動(dòng)(即哈特曼流動(dòng))的理論計(jì)算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道的“引導(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動(dòng)力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽(yáng)黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書(shū)中集中討論了他的主要工作，推動(dòng)了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場(chǎng)來(lái)保存等離子體的所謂磁約束問(wèn)題，即磁流體靜力學(xué)問(wèn)題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達(dá)一億度量級(jí)的等離子體。

然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問(wèn)題。1951年，倫德奎斯特給出一個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，這個(gè)課題的研究至今仍很活躍。此外，1950年，N. 赫羅夫森和范德胡斯特論證了有三種擾動(dòng)波（即阿爾文波、快磁聲波和慢磁聲波）存在。

磁流體力學(xué)以流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)﹐把流場(chǎng)方程和電磁場(chǎng)方程聯(lián)立起來(lái)﹐引進(jìn)了許多新的特徵過(guò)程﹐因而內(nèi)容十分豐富。宇宙磁流體力學(xué)更有其特色。首先﹐它所研究的對(duì)象的特徵長(zhǎng)度一般來(lái)說(shuō)是非常大的﹐因而電感的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻的作用。其次﹐其有效時(shí)間非常久﹐所以由電磁原因引起的某些作用力縱然不大﹐卻能產(chǎn)生重大效應(yīng)。磁流體力學(xué)大體上可以和流體力學(xué)平行地進(jìn)行研究﹐但因磁場(chǎng)的存在也具有自己的特點(diǎn)﹕在磁流體靜力學(xué)中的平衡方程﹐和流體靜力學(xué)相比﹐增加了磁應(yīng)力部分﹐它研究磁場(chǎng)的“運(yùn)動(dòng)”﹐即在介質(zhì)流動(dòng)下磁場(chǎng)的演變。與正壓流體中的渦旋相似﹐磁場(chǎng)的變化也是由對(duì)流和擴(kuò)散兩種作用引起的。如果流體是理想導(dǎo)體﹐磁力線則凍結(jié)在流體上﹐即在同一磁力線上的質(zhì)點(diǎn)恒在同一磁力線上﹐如果電導(dǎo)率是有限的﹐則磁場(chǎng)還要擴(kuò)散。兩種作用的強(qiáng)弱取決于磁雷諾數(shù)4πUL/c(c為光速﹐為電導(dǎo)率﹐U和L分別為問(wèn)題的特徵速度和特徵長(zhǎng)度)的大小。研究流動(dòng)如何產(chǎn)生和維持天體中磁流發(fā)電機(jī)制(見(jiàn)太陽(yáng)平均磁流發(fā)電機(jī)機(jī)制)﹐目前大多是以運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)的。

導(dǎo)電流體在電磁場(chǎng)里運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體中就會(huì)產(chǎn)生電流。此電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，從而改變流體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)此電流又導(dǎo)致電磁場(chǎng)的改變。對(duì)這類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行理論探討，必須既考慮其力學(xué)效應(yīng)，又考慮其電磁效應(yīng)。磁流體力學(xué)包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)。磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在電磁力作用下的靜平衡問(wèn)題，如太陽(yáng)黑子理論、受控?zé)岷司圩兊拇偶s束機(jī)制等。磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與電磁場(chǎng)相互作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如各種磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)和磁流體動(dòng)力學(xué)波等。但磁流體力學(xué)通常即指磁流體動(dòng)力學(xué)，而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動(dòng)力學(xué)的特殊情形。

等離子體和液態(tài)金屬都是導(dǎo)電流體。等離子體包括99%以上的宇宙物質(zhì)，等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配。后者包括核動(dòng)力裝置中的攜熱介質(zhì)（如鈉、鉀、鈉鉀合金）、化學(xué)工業(yè)中的置換劑（如鈉、鉀、汞）、冶金鑄造工業(yè)中的熔融金屬等。地球表面一般不存在自然等離子體，但可因核輻射、氣體放電、燃燒、電磁激波、激光等方法產(chǎn)生人工等離子體。因此，磁流體力學(xué)不僅與等離子體物理學(xué)有聯(lián)系，還在天體物理研究（如磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響）、受控?zé)岷司圩兒凸I(yè)新技術(shù)（如電磁泵、電弧加熱器、磁流體發(fā)電、電磁輸送、電磁推進(jìn)等）中得到發(fā)展和應(yīng)用。

首先是建立磁流體力學(xué)基本方程組，其次是用這個(gè)方程組來(lái)解決各種問(wèn)題。后者主要包括：

磁流體力學(xué)第一部分

①忽略磁場(chǎng)力對(duì)流體的作用，單獨(dú)考慮理想導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題，或流體靜止時(shí)，流體電阻對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題，其中包括磁凍結(jié)和磁擴(kuò)散（見(jiàn)磁流體力學(xué)基本方程組）。

磁流體力學(xué)第二部分

②通過(guò)磁場(chǎng)力來(lái)考察磁場(chǎng)對(duì)靜止導(dǎo)電流體或理想導(dǎo)電流體的約束機(jī)制。這個(gè)問(wèn)題是磁流體靜力學(xué)的研究范疇，對(duì)受控?zé)岷朔磻?yīng)十分重要。磁流體靜力學(xué)在天體物理中，例如在研究太陽(yáng)黑子的平衡、日珥的支撐、星際間無(wú)作用力場(chǎng)等問(wèn)題中也很重要。

磁流體力學(xué)第三部分

③研究磁場(chǎng)力對(duì)導(dǎo)電流體定常運(yùn)動(dòng)的影響。方程的非線性使磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)的數(shù)學(xué)分析復(fù)雜化，通常要用近似方法或數(shù)值法求解。對(duì)于一般的磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)雖然都有相應(yīng)的研究,但僅少數(shù)有精確解,如哈特曼流動(dòng)、庫(kù)埃特流動(dòng)等。它們雖然是簡(jiǎn)化情況的解，然而清晰地闡明了基本的流動(dòng)規(guī)律，利用這些規(guī)律至少可以定性地討論更復(fù)雜的磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)。

磁流體力學(xué)第四部分

④研究磁流體動(dòng)力學(xué)波，包括小擾動(dòng)波、有限振幅波和激波。了解等離子體中波（磁流體動(dòng)力學(xué)波是其中一部分）的傳播規(guī)律，就可以探測(cè)等離子體的某些性質(zhì)。此外，激波理論在電磁激波管、天體物理和地球物理上都有重要的應(yīng)用。

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磁流體力學(xué)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。

磁流體力學(xué)天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理方面

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場(chǎng)，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽(yáng)的研究課題有：太陽(yáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源，磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無(wú)作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場(chǎng)的起源，等等。

磁流體力學(xué)受控?zé)岷朔磻?yīng)方面

受控?zé)岷朔綉?yīng)方面 這方面的應(yīng)用有可能使人類(lèi)從海水中的氘獲取巨大能源。受控?zé)岷朔磻?yīng)的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時(shí)間，以使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于所消耗的能量。對(duì)氘、氚混合氣來(lái)說(shuō)，要求溫度達(dá)到5000萬(wàn)到1億開(kāi)并要求粒子密度和約束時(shí)間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控?zé)岷朔磻?yīng)研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國(guó)家各自在托卡馬克的研究上取得進(jìn)展，但只得到單項(xiàng)指標(biāo)滿足勞孫條件的等離子體，沒(méi)有得到溫度、密度和約束時(shí)間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運(yùn)行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開(kāi)展對(duì)等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的磁流體力學(xué)研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場(chǎng)的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開(kāi)發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運(yùn)用磁流體力學(xué)來(lái)分析發(fā)電通道中的流動(dòng)規(guī)律，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對(duì)產(chǎn)煤豐富的國(guó)家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實(shí)現(xiàn)天然氣磁流體發(fā)電。

用導(dǎo)電流體取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備，即用磁力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學(xué)空間推進(jìn)器（見(jiàn)電磁推進(jìn)）。電磁泵已用于核能動(dòng)力裝置中傳熱回路內(nèi)液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動(dòng)定量澆注和攪拌，化學(xué)工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險(xiǎn)流體的輸送等方面。電磁推進(jìn)研究用磁場(chǎng)力加速等離子體以期得到比化學(xué)火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時(shí)，激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過(guò)重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。

磁流體力學(xué)其他

此外，電磁流量計(jì)、電磁制動(dòng)、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用上所取得的成就。

關(guān)于低溫等離子體技術(shù)，見(jiàn)等離于體的工業(yè)應(yīng)用。

研究方法等離子體的密度范圍很寬。對(duì)于極其稀簿的等離子體，粒子同的碰撞和集體效應(yīng)可以忽略，可采用單粒子軌道理論研究等離子體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于稠密等離子體，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種等離子體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)有兩種方法，一是統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，即所謂等離子體動(dòng)力論，它從微觀出發(fā)，把氣體當(dāng)作正、負(fù)粒子和中性粒子的混含物，并考慮粒子之同的相互碰撞影響，用統(tǒng)計(jì)方法研究等離子體在磁場(chǎng)中的宏觀運(yùn)動(dòng)；—是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法即磁流體力學(xué)，把等離子體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)（見(jiàn)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)）來(lái)研究它在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。等離子體動(dòng)力論對(duì)等離子體作最基本的描述，分析深刻，而磁流體力學(xué)則是它的一種宏觀近似，所以用等離子體動(dòng)力論能判斷磁流體力學(xué)處理實(shí)際問(wèn)題的有效性。此外，等離子體動(dòng)力論還可用來(lái)計(jì)算磁流體力學(xué)中的一切輸運(yùn)系數(shù)（如擴(kuò)散、粘性、熱傳導(dǎo)和電阻系數(shù)等）并討論它們的物理機(jī)制。但這種方法的數(shù)學(xué)分析很困難，故在處理實(shí)際問(wèn)瓶時(shí)，應(yīng)用磁流體力學(xué)比較方便，而輸運(yùn)系數(shù)則由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或用等離子體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算。對(duì)無(wú)碰撞的等離子體，有時(shí)也可應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)方法，例如流體粒子的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)速度比宏觀速度小得多，即壓力和溫度可以忽略時(shí)，可用冷等離子體模型和方程處理等離子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。固態(tài)等離子體和冷等離子體的模型很近似。盡管可以應(yīng)用上述較簡(jiǎn)單的磁流體力學(xué)理論解決實(shí)際問(wèn)題，但在稀薄氣體的某些場(chǎng)合下，只有動(dòng)力論的描述才是恰當(dāng)?shù)?。例如平衡等離子體中的電子等離子體振蕩所受的阻尼（即朗道阻尼）問(wèn)題，是不可能用磁流體力學(xué)模型描述的，必須用動(dòng)力論方法才能解決。

磁流體力學(xué)是在非導(dǎo)電流體力學(xué)的基礎(chǔ)上研究導(dǎo)電流體中流場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用的。進(jìn)行這種研究必須對(duì)經(jīng)典流體力學(xué)加以修正，以便得到磁流體力學(xué)基本方程組，包括考慮介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)力學(xué)方程組和考慮電磁場(chǎng)作用的流體力學(xué)方程組。電動(dòng)力學(xué)方程組包含電導(dǎo)率、電容率、磁導(dǎo)率；流體力學(xué)方程組包含粘性系數(shù)、熱導(dǎo)率、氣體比熱等物理參量。它們有時(shí)是常數(shù)，有時(shí)是其他量的函數(shù)。磁流體力學(xué)基本方程組具有非線性且包含方程個(gè)數(shù)又多，所以求解困難。但在實(shí)際問(wèn)題中往往不需要求最一般形式的方程組的解，而只需求某一特殊問(wèn)題的方程組的解。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個(gè)物理問(wèn)題的相似準(zhǔn)數(shù)，并簡(jiǎn)化方程，即可得到有實(shí)用價(jià)值的解。

磁流體力學(xué)基本方程組具有非線性且包含方程個(gè)數(shù)又多，造成求解困難。但在實(shí)際問(wèn)題中往往不需要求最一般形式的方程組的解，而只需求某一特殊問(wèn)題的方程組的解。因此，在利用磁流體力學(xué)基本方程組來(lái)解決種種實(shí)際問(wèn)題時(shí)，可在實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)的基礎(chǔ)上，建立表征研究對(duì)象主要實(shí)質(zhì)的物理模型來(lái)簡(jiǎn)化基本方程組。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個(gè)物理問(wèn)題的相似準(zhǔn)數(shù)，并簡(jiǎn)化方程，從而得到有實(shí)用價(jià)值的解。磁流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)有雷諾數(shù)、磁雷諾數(shù)、哈特曼數(shù)（見(jiàn)哈特曼流動(dòng)）、馬赫赫、磁馬赫數(shù)、磁力數(shù)、相互作用數(shù)等。求解簡(jiǎn)化后的方程組不外是分桁法和數(shù)值法。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)方法可以求解較復(fù)雜的問(wèn)題。

磁流體力學(xué)的理論很難象普通流體力學(xué)理論那樣得到充分的驗(yàn)證。由于在常溫下可供選擇的介質(zhì)很少，同時(shí)需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)才能觀察到磁流體力學(xué)現(xiàn)象，故不易進(jìn)行模似。早期是用水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但水銀在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)只呈現(xiàn)出不可壓縮流體現(xiàn)象，而等離子體處于高溫狀態(tài)，現(xiàn)象復(fù)雜，帶來(lái)許多有待研究的診斷問(wèn)題（見(jiàn)等離子體診斷）。模擬天體大尺度的磁流體力學(xué)問(wèn)厘更不易在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。所以磁流體力學(xué)的理論有的可以得到定量驗(yàn)證，有的只能得到定性或間接的驗(yàn)證。當(dāng)前有關(guān)磁流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)是在各種等離子體發(fā)生器和受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中進(jìn)行的。

磁流體力學(xué)磁流體發(fā)電技術(shù)

就是用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能等）直接加熱成易于電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導(dǎo)電的離子流，然后讓其在磁場(chǎng)中高速流動(dòng)時(shí)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，由于無(wú)需經(jīng)過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以稱之為"直接發(fā)電"，其燃料利用率得到顯著提高，這種技術(shù)也稱為"等離子體發(fā)電技術(shù)"。

磁流體發(fā)電是一種新型的高效發(fā)電方式，其定義為當(dāng)帶有磁流體的等離子體橫切穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，按電磁感應(yīng)定律，由磁力線切割產(chǎn)生電；在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)荷連接時(shí)，則可發(fā)電。

為了使磁流體具有足夠的電導(dǎo)率，需在高溫和高速下，加上鉀、銫等堿金屬和加入微量堿金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質(zhì)，以利用非平衡電離原理來(lái)提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過(guò)磁場(chǎng)的方式叫開(kāi)環(huán)磁流體發(fā)電，后者通過(guò)換熱器將工質(zhì)加熱后再穿過(guò)磁場(chǎng)的叫閉環(huán)磁流體發(fā)電。

燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)--亦稱為等離子體發(fā)電，就是磁流體發(fā)電的典型應(yīng)用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體并以高速流過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線垂直的方向流向電極，發(fā)出直流電，經(jīng)直流逆變?yōu)榻涣魉腿虢涣麟娋W(wǎng)。

磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達(dá)50%～60%，是目前正在開(kāi)發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產(chǎn)生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

在磁流體發(fā)電技術(shù)中，高溫陶瓷不僅關(guān)系到在2000～3000K磁流體溫度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發(fā)電系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達(dá)到3090K。

磁流體力學(xué)磁流體發(fā)電的原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，用導(dǎo)電流體（氣體或液體）與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電。

磁流體發(fā)電按工質(zhì)的循環(huán)方式分為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的開(kāi)式磁流發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過(guò)程是：在燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵?，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離，經(jīng)噴管加速，產(chǎn)生溫度達(dá)3000℃、速度達(dá)1000米/秒的高溫高速導(dǎo)電氣體（部分等離子體），導(dǎo)電氣體穿越置于強(qiáng)磁場(chǎng)中的發(fā)電通道，作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，感生出電流。磁流體發(fā)電機(jī)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，起動(dòng)迅速，環(huán)境污染小，有很多優(yōu)點(diǎn)。特別是它的排氣溫度高達(dá)2000℃，可通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。這種磁流體－蒸汽動(dòng)力聯(lián)合循環(huán)電站，一次燃燒兩級(jí)發(fā)電，比現(xiàn)有火力發(fā)電站的熱效率高10－20%，節(jié)省燃料30%，是火力發(fā)電技術(shù)改造的重要方向。磁流體發(fā)電的研究始于20世紀(jì)50年代末，被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)可行、最有競(jìng)爭(zhēng)力的直接發(fā)電方式。它涉及到磁流體動(dòng)力學(xué)、等離子物理、高溫技術(shù)及材料、低溫超導(dǎo)技術(shù)和熱物理等領(lǐng)域，是一項(xiàng)大型工程性課題。許多先進(jìn)國(guó)家都把它列為國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，有的建立國(guó)際間協(xié)作關(guān)系，以期早日突破。

從發(fā)電的機(jī)理上看，磁流體發(fā)電與普通發(fā)電一樣，都是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律獲得電能。所不同的是，磁流體發(fā)電是以高溫的導(dǎo)電流體（在工程技術(shù)上常用等離子體）高速通過(guò)磁場(chǎng)，以導(dǎo)電的流體切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)，導(dǎo)電的流體起到了金屬導(dǎo)線的作用。

磁流體發(fā)電中所采用的導(dǎo)電流體一般是導(dǎo)電的氣體，也可以是液態(tài)金屬。我們知道，常溫下的氣體是絕緣體，只有在很高的溫度下，例如6000K以上，才能電離，才有較大的導(dǎo)電率。而磁流體發(fā)電一般是采用煤、石油或天然氣作燃料，燃料在空氣中燃燒時(shí)，即使把空氣預(yù)熱到1400K，也只能使空氣達(dá)到3000K的溫度，這時(shí)氣體的導(dǎo)電率還不能達(dá)到所需的值，而且即使再提高溫度，導(dǎo)電率也提高不了多少，卻給工程帶來(lái)很大困難。那么如何使氣體在較低的溫度下就能導(dǎo)電，并有較高的導(dǎo)電率"para" label-module="para">

磁流體發(fā)電是一種新型的發(fā)電方法。它把燃料的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，省略了由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，因此，這種發(fā)電方法效率較高，可達(dá)到60%以上。同樣燒一噸煤，它能發(fā)電4500千瓦時(shí)，而汽輪發(fā)電機(jī)只能發(fā)出3000千瓦時(shí)電。對(duì)環(huán)境的污染也小

磁流體發(fā)電中，導(dǎo)電流體單位體積的輸出功率We為

We=σv 2B 2k(1-k)式中σ為導(dǎo)電流體的電導(dǎo)率，v為流體的運(yùn)動(dòng)速度，B為磁場(chǎng)的磁通密度，k為電負(fù)載系數(shù)。典型的數(shù)據(jù)是σ=10～20西/米，B=5～6特，v=600～1000米/秒，k=0.7～0.8, We在25～150兆瓦/米3。80年代后期，世界上技術(shù)最先進(jìn)的磁流體發(fā)電裝置是莫斯科北郊U-25裝置。它是以天然氣作燃料的開(kāi)環(huán)裝置，額定功率為20.5兆瓦。

磁流體力學(xué)磁流體發(fā)電的歷史

1832年法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問(wèn)題。他根據(jù)海水切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的想法，測(cè)量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測(cè)出流速，但因河水電阻大、地球磁場(chǎng)弱和測(cè)量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對(duì)水銀在磁場(chǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)流動(dòng)(即哈特曼流動(dòng))的理論計(jì)算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道的“引導(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動(dòng)力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽(yáng)黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書(shū)中集中討論了他的主要工作，推動(dòng)了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場(chǎng)來(lái)保存等離子體的所謂磁約束問(wèn)題，即磁流體靜力學(xué)問(wèn)題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達(dá)一億度量級(jí)的等離子體。

然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問(wèn)題。1951年，倫德奎斯特給出一個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，這個(gè)課題的研究至今仍很活躍。

美國(guó)是世界上研究磁流體發(fā)電最早的國(guó)家，1959年，美國(guó)就研制成功了11.5千瓦磁流體發(fā)電的試驗(yàn)裝置。60年代中期以后，美國(guó)將它應(yīng)用在軍事上，建成了作為激光武器脈沖電源和風(fēng)洞試驗(yàn)電源用的磁流體發(fā)電裝置。

日本和前蘇聯(lián)都把磁流體發(fā)電列入國(guó)家重點(diǎn)能源攻關(guān)項(xiàng)目，并取得了引人注目的成果。前蘇聯(lián)已將磁流體發(fā)電用在地震預(yù)報(bào)和地質(zhì)勘探等方面。前蘇聯(lián)在1971年建造了一座磁流體——蒸汽聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)電站，裝機(jī)容量為7.5萬(wàn)千瓦，其中磁流體電機(jī)容量為2.5萬(wàn)千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開(kāi)始興建世界上第一座50萬(wàn)千瓦的磁流體和蒸汽聯(lián)合電站，這座電站使用的燃料是天然氣，它既可供電，又能供熱，與一般的火力發(fā)電站相比，它可節(jié)省燃料20%。

磁流體發(fā)電為高效率利用煤炭資源提供了一條新途徑，所以世界各國(guó)都在積極研究燃煤磁流體發(fā)電。目前，世界上有17個(gè)國(guó)家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個(gè)國(guó)家研究的是燃煤磁流體發(fā)電，包括中國(guó)、印度、美國(guó)、波蘭、法國(guó)、澳大利亞、前蘇聯(lián)等。

我國(guó)于本世紀(jì)60年代初期開(kāi)始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海、南京等地建成了試驗(yàn)基地。根據(jù)我國(guó)煤炭資源豐富的特點(diǎn)，我國(guó)將重點(diǎn)研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計(jì)劃中能源領(lǐng)域的兩個(gè)研究主題之一，爭(zhēng)取在短時(shí)間內(nèi)趕上世界先進(jìn)水平。

作為一種高技術(shù)，磁流體發(fā)電推動(dòng)著工程電磁流體力學(xué)這門(mén)新興學(xué)科和高溫燃燒、氧化劑預(yù)熱、高溫材料、超導(dǎo)磁體、大功率變流技術(shù)、高溫診斷和降低工業(yè)動(dòng)力裝置有害排放物的先進(jìn)方法等一系列新技術(shù)的發(fā)展。這些科學(xué)成果和技術(shù)成就可以得到其他方面的應(yīng)用，并有著美好的發(fā)展前景。

綜上所述，從高效率、低污染、高技術(shù)的考慮，使得磁流體發(fā)電從其原理性實(shí)驗(yàn)成功開(kāi)始，就迅速得到了全世界的重視，許多國(guó)家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。

磁流體動(dòng)力學(xué)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)天體物理

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場(chǎng)，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽(yáng)的研究課題有：太陽(yáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源，磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無(wú)作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場(chǎng)的起源，等等。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)受控?zé)岷朔磻?yīng)方面

受控?zé)岷朔綉?yīng)方面 這方面的應(yīng)用有可能使人類(lèi)從海水中的氘獲取巨大能源。受控?zé)岷朔磻?yīng)的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時(shí)間，以使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于所消耗的能量。對(duì)氘、氚混合氣來(lái)說(shuō)，要求溫度達(dá)到5000萬(wàn)到1億開(kāi)并要求粒子密度和約束時(shí)間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控?zé)岷朔磻?yīng)研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國(guó)家各自在托卡馬克的研究上取得進(jìn)展，但只得到單項(xiàng)指標(biāo)滿足勞孫條件的等離子體，沒(méi)有得到溫度、密度和約束時(shí)間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運(yùn)行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開(kāi)展對(duì)等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的磁流體力學(xué)研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場(chǎng)的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開(kāi)發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運(yùn)用磁流體力學(xué)來(lái)分析發(fā)電通道中的流動(dòng)規(guī)律，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對(duì)產(chǎn)煤豐富的國(guó)家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實(shí)現(xiàn)天然氣磁流體發(fā)電。

用導(dǎo)電流體取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備，即用磁力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學(xué)空間推進(jìn)器（見(jiàn)電磁推進(jìn)）。電磁泵已用于核能動(dòng)力裝置中傳熱回路內(nèi)液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動(dòng)定量澆注和攪拌，化學(xué)工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險(xiǎn)流體的輸送等方面。電磁推進(jìn)研究用磁場(chǎng)力加速等離子體以期得到比化學(xué)火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時(shí)，激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過(guò)重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。2100433B

半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型是一類(lèi)出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件科學(xué)中的宏觀流體動(dòng)力學(xué)方程組，它是在自相容電磁場(chǎng)的影響下描述電子和離子的，刻畫(huà)了高頻率條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體器件其內(nèi)部電了的輸運(yùn)過(guò)程。模型方程組是由電子的質(zhì)量和速度的守恒律方程禍合電磁場(chǎng)的Maxwell方程構(gòu)成的。

目前對(duì)半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)有非常多的研究。就半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型方程組的類(lèi)型而言，它是一類(lèi)可對(duì)稱化的擬線性雙曲型方程組。一般來(lái)說(shuō)，哪怕是在光滑的小初始條件下，擬線性雙曲型方程組的經(jīng)典解仍會(huì)在有限時(shí)問(wèn)內(nèi)破裂而產(chǎn)生激波。

磁流體力學(xué)的基本方程組有16個(gè)標(biāo)量方程，包含16個(gè)未知標(biāo)量，因此是完備的。結(jié)合邊界條件可以求解這個(gè)方程組。在磁流體動(dòng)力學(xué)中，等離子體可以看作是良導(dǎo)體，電磁場(chǎng)變化的特征時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粒子碰撞的時(shí)間，電磁場(chǎng)可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此麥克斯韋方程組中的位移電流項(xiàng)可以忽略，寫(xiě)為：由于存在洛侖茲力，歐姆定律的數(shù)學(xué)形式為：等離子體是流體，滿足流體的連續(xù)性方程：流體的運(yùn)動(dòng)方程的右邊應(yīng)加上電磁力項(xiàng)，而重力與電磁力相比是小量，常常也可以忽略不計(jì)。因此運(yùn)動(dòng)方程為：其中能量方程的右邊應(yīng)加上因電磁場(chǎng)引起的焦耳熱，重力所做的功可以忽略不計(jì)。

流體的狀態(tài)方程形式為：

p = p(ρ,T)對(duì)于絕熱過(guò)程，有pρ ? γ = const 理想磁流體力學(xué)方程組對(duì)于無(wú)粘、絕熱、理想導(dǎo)電的等離子體，即理想導(dǎo)電流體，磁流體力學(xué)方程可以簡(jiǎn)化為：pρ ? γ = const ，其稱為理想磁流體力學(xué)方程組，即 pρ ? γ = const。