磁流體力學(xué)研究內(nèi)容

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

磁流體力學(xué)第一部分

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

磁流體力學(xué)第二部分

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

磁流體力學(xué)第三部分

③研究磁場力對導(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)、庫埃特流動(dòng)等。它們雖然是簡化情況的解，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。

研究方法等離子體的密度范圍很寬。對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中的運(yùn)動(dòng)。對于稠密等離子體，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)（見連續(xù)介質(zhì)假設(shè)）來研究它在磁場中的運(yùn)動(dòng)。等離子體動(dòng)力論對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)際問題的有效性。此外，等離子體動(dòng)力論還可用來計(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)測定或用等離子體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算。對無碰撞的等離子體，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)用上述較簡單的磁流體力學(xué)理論解決實(shí)際問題，但在稀薄氣體的某些場合下，只有動(dòng)力論的描述才是恰當(dāng)?shù)摹＠缙胶獾入x子體中的電子等離子體振蕩所受的阻尼（即朗道阻尼）問題，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)電流體中流場和磁場的相互作用的。進(jìn)行這種研究必須對經(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)物理問題的相似準(zhǔn)數(shù)，并簡化方程，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題的方程組的解。因此，在利用磁流體力學(xué)基本方程組來解決種種實(shí)際問題時(shí)，可在實(shí)驗(yàn)或觀測的基礎(chǔ)上，建立表征研究對象主要實(shí)質(zhì)的物理模型來簡化基本方程組。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個(gè)物理問題的相似準(zhǔn)數(shù)，并簡化方程，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，帶來許多有待研究的診斷問題（見等離子體診斷）。模擬天體大尺度的磁流體力學(xué)問厘更不易在實(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。

1832年M.法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問題。他根據(jù)海水切割地球磁場產(chǎn)生電動(dòng)勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年J. F.哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動(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)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書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來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學(xué)問題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來約束溫度高達(dá)一億度量級的等離子體。

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)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)電流體在磁場力作用于靜平衡的問題；磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場相互作用的動(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(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(還沒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。

磁流體力學(xué)以流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)﹐把流場方程和電磁場方程聯(lián)立起來﹐引進(jìn)了許多新的特徵過程﹐因而內(nèi)容十分豐富。宇宙磁流體力學(xué)更有其特色。首先﹐它所研究的對象的特徵長度一般來說是非常大的﹐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﹐它研究磁場的“運(yùn)動(dòng)”﹐即在介質(zhì)流動(dòng)下磁場的演變。與正壓流體中的渦旋相似﹐磁場的變化也是由對流和擴(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分別為問題的特徵速度和特徵長度)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(見太陽平均磁流發(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)電流體在電磁場里運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體中就會(huì)產(chǎn)生電流。此電流與磁場相互作用，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)致電磁場的改變。對這類問題進(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題，如太陽黑子理論、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（如磁場對日冕、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。

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，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質(zhì)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(fēng)與地球磁場相互作用產(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。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達(dá)到5000萬到1億開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，所以必須開展對等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測的磁流體力學(xué)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。

磁流體力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開發(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)電對產(chǎn)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(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(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)，見等離于體的工業(yè)應(yīng)用。

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，然后讓其在磁場中高速流動(dòng)時(shí)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，由于無需經(jīng)過機(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磁場時(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提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過磁場的方式叫開環(huán)磁流體發(fā)電，后者通過換熱器將工質(zhì)加熱后再穿過磁場的叫閉環(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強(qiáng)磁場時(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）與磁場相對運(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)。最簡單的開式磁流發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過程是：在燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵校尤胍纂婋x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、最有競爭力的直接發(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)國家都把它列為國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，有的建立國際間協(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）高速通過磁場，以導(dǎo)電的流體切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢。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)問題。他根據(jù)海水切割地球磁場產(chǎn)生電動(dòng)勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動(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)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書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來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學(xué)問題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來約束溫度高達(dá)一億度量級的等離子體。

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。

美國是世界上研究磁流體發(fā)電最早的國家，1959年，美國就研制成功了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7.5萬千瓦，其中磁流體電機(jī)容量為2.5萬千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開始興建世界上第一座50萬千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，所以世界各國都在積極研究燃煤磁流體發(fā)電。目前，世界上有17個(gè)國家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個(gè)國家研究的是燃煤磁流體發(fā)電，包括中國、印度、美國、波蘭、法國、澳大利亞、前蘇聯(lián)等。

我國于本世紀(jì)60年代初期開始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海、南京等地建成了試驗(yàn)基地。根據(jù)我國煤炭資源豐富的特點(diǎn)，我國將重點(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)成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。

V. C. A. Ferraro and C. Plumpton, Introduction to Magneto-fluid Mechanics, Oxford Univ. Press, London, 1961.

T. J. M. 博伊德、J. J. 桑德森著，戴世強(qiáng)、陸志云譯:《等離子體動(dòng)力學(xué)》，科學(xué)出版社，北京，1977。（T. J. M. Boyd and J. Sanderson, Plasma Dynamics, Nelson, London, 1969.）

M. Mitchner and C. H. Kruger Jr., Partially Ionized Cases, John Wiley & Sons, New York, 1973.

Shih-I Pai, Magnetogasdynamics and Plasma Dynamics, Springer-VerJag, Vienna, 1961.

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，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質(zhì)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(fēng)與地球磁場相互作用產(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。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達(dá)到5000萬到1億開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，所以必須開展對等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測的磁流體力學(xué)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(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)電對產(chǎn)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(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(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的影響下描述電子和離子的，刻畫了高頻率條件下運(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的Maxwell方程構(gòu)成的。

目前對半導(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(jīng)典解仍會(huì)在有限時(shí)問內(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)對于絕熱過程，有pρ ? γ = const 理想磁流體力學(xué)方程組對于無粘、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)方程可以簡化為：pρ ? γ = const ，其稱為理想磁流體力學(xué)方程組，即 pρ ? γ = const。