磁流體動力學磁流體動力學的主要研究內容

研究磁流體運動性質的科學，又稱流體磁學 (hydromagnetics) 或 磁氣動力學 ( magnetogas dynamics)。動力學的分支，電動力學和流體動力學的交叉學科。研究對象是與磁場相互作用的流體運動。

磁流體動力學的主要研究內容：①液態(tài)金屬的運動性質;②電離氣體或等離子體流動性的理論研究及應用研究。包括受控熱核反應、超聲飛行條件的模擬、對外空間推進的離子動力、重返大氣層的空間飛 行器的制動、高能粒子加速器、微波發(fā)生器、熱離子 能量轉換裝置、薄金屬敷層的應用以及宇宙和上層大 氣現象的研究等。

在磁流體力學中，等離子體可以看作是良導體，電磁場變化的特征時間遠遠大于粒子碰撞的時間，電磁場可以認為是準靜態(tài)的，因此麥克斯韋方程組中的位移電流項可以忽略，寫為：

由于存在洛倫茲力，歐姆定律的廣義形式為：

半導體磁流體動力學模型是一類出現在半導體器件科學中的宏觀流體動力學方程組，它是在自相容電磁場的影響下描述電子和離子的，刻畫了高頻率條件下運轉的半導體器件其內部電了的輸運過程。模型方程組是由電子的質量和速度的守恒律方程禍合電磁場的Maxwell方程構成的。

目前對半導體磁流體動力學模型已經有非常多的研究。就半導體磁流體動力學模型方程組的類型而言，它是一類可對稱化的擬線性雙曲型方程組。一般來說，哪怕是在光滑的小初始條件下，擬線性雙曲型方程組的經典解仍會在有限時問內破裂而產生激波。

磁流體力學的基本方程組有16個標量方程，包含16個未知標量，因此是完備的。結合邊界條件可以求解這個方程組。在磁流體動力學中，等離子體可以看作是良導體，電磁場變化的特征時間遠遠大于粒子碰撞的時間，電磁場可以認為是準靜態(tài)的，因此麥克斯韋方程組中的位移電流項可以忽略，寫為：由于存在洛侖茲力，歐姆定律的數學形式為：等離子體是流體，滿足流體的連續(xù)性方程：流體的運動方程的右邊應加上電磁力項，而重力與電磁力相比是小量，常常也可以忽略不計。因此運動方程為：其中能量方程的右邊應加上因電磁場引起的焦耳熱，重力所做的功可以忽略不計。

流體的狀態(tài)方程形式為：

p = p(ρ,T)對于絕熱過程，有pρ ? γ = const 理想磁流體力學方程組對于無粘、絕熱、理想導電的等離子體，即理想導電流體，磁流體力學方程可以簡化為：pρ ? γ = const ，其稱為理想磁流體力學方程組，即 pρ ? γ = const。

磁流體動力學主要應用于三個方面：天體物理、受控熱核反應和工業(yè)。

磁流體動力學磁流體動力學天體物理

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應用。當前，關于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風與地球磁場相互作用產生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場的起源，等等。

磁流體動力學磁流體動力學受控熱核反應方面

受控熱核方應方面 這方面的應用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控熱核反應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，并約束它足夠的時間，以使核反應產生的能量大于所消耗的能量。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達到5000萬到1億開并要求粒子密度和約束時間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控熱核反應研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國家各自在托卡馬克的研究上取得進展，但只得到單項指標滿足勞孫條件的等離子體，沒有得到溫度、密度和約束時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，所以必須開展對等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預測的磁流體力學研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體動力學磁流體動力學工業(yè)方面

磁流體力學除了與開發(fā)和利用核聚變能有關外，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)電機轉子，省去轉動部件，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，必須運用磁流體力學來分析發(fā)電通道中的流動規(guī)律，傳熱、傳質規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對產煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實現天然氣磁流體發(fā)電。

用導電流體取代電動機轉子的設備，即用磁力驅動導電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學空間推進器（見電磁推進）。電磁泵已用于核能動力裝置中傳熱回路內液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動定量澆注和攪拌，化學工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險流體的輸送等方面。電磁推進研究用磁場力加速等離子體以期得到比化學火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時，激波、空氣對飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場裝置過重，這種設想尚未能實現。2100433B

磁流體力學是結合經典流體力學和電動力學的方法，研究導電流體和磁場相互作用的學科，它包括磁流體靜力學和磁流體動力學兩個分支。

磁流體靜力學研究導電流體在磁場力作用于靜平衡的問題；磁流體動力學研究導電流體與磁場相互作用的動力學或運動規(guī)律。磁流體力學通常指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。

導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，所以它的動力學行為受電磁力支配。宇宙中的物質幾乎全都是等離子體，但對地球來說，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，但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對論電子束和激光等方法產生人工等離子體。

能應用磁流體力學處理的等離子體溫度范圍頗寬，從磁流體發(fā)電的幾千度到受控熱核反應的幾億度量級(還沒有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學同物理學的許多分支以及核能、化學、冶金、航天等技術科學都有聯(lián)系。

磁流體是一種膠體溶液。作為密封用的磁流體，其性能要求是：穩(wěn)定性好，不凝聚、不沉淀、不分解；飽和磁化強度高；起始磁導率大；粘度和飽和蒸氣低，其他如凝固點、沸點、導熱率、比熱和表面張力等也有一定的要求。

影響磁流體穩(wěn)定的主要因素有：微粒力度大小、表面活性劑和載液以及它們的合理配比。穩(wěn)定性是磁流體各種特性存在的前提。

磁流體密封裝置是由不導磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導磁軸、磁流體組成，在均勻穩(wěn)定磁場的作用下，使磁流體充滿于設定的空間內，建立起多級“O型密封圈”，從而達到密封的效果；每級密封圈一般可以承受大于0.15～0.2個大氣壓的壓差?？偝袎簽楦骷墘翰钪?，一般設計為2.5個大氣壓，總體耐壓隨液態(tài)“O”形圈的級數增加而增加。被世界各國廣泛公認的“零泄漏”動密封先進技術。

導電流體在電磁場里運動時，流體中就會產生電流。此電流與磁場相互作用，產生洛倫茲力，從而改變流體的運動，同時此電流又導致電磁場的改變。對這類問題進行理論探討，必須既考慮其力學效應，又考慮其電磁效應。磁流體力學包括磁流體靜力學和磁流體動力學。磁流體靜力學研究導電流體在電磁力作用下的靜平衡問題，如太陽黑子理論、受控熱核聚變的磁約束機制等。磁流體動力學研究導電流體與電磁場相互作用時的運動規(guī)律，如各種磁流體動力學流動和磁流體動力學波等。但磁流體力學通常即指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。

等離子體和液態(tài)金屬都是導電流體。等離子體包括99%以上的宇宙物質，等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動力學行為受電磁力支配。后者包括核動力裝置中的攜熱介質（如鈉、鉀、鈉鉀合金）、化學工業(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、激光等方法產生人工等離子體。因此，磁流體力學不僅與等離子體物理學有聯(lián)系，還在天體物理研究（如磁場對日冕、黑子、耀斑的影響）、受控熱核聚變和工業(yè)新技術（如電磁泵、電弧加熱器、磁流體發(fā)電、電磁輸送、電磁推進等）中得到發(fā)展和應用。