電流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用

電流體動(dòng)力學(xué)理論主要應(yīng)用于電氣體發(fā)電裝置、電流體泵以及電流體動(dòng)力工藝和動(dòng)力檢測(cè)等。

電氣體發(fā)電裝置 電氣體發(fā)電是利用氣流的動(dòng)能將其中的離子從低電勢(shì)區(qū)推向高電勢(shì)區(qū)，從而直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能。電氣體發(fā)電裝置主要由絕緣通道、離子源和電荷收集極組成（見圖)。絕緣通道是發(fā)電裝置的主要部分，其作用是限定氣流的運(yùn)動(dòng)。離子源由絕緣氣流、電暈極和吸引極組成，它可使絕緣氣流中產(chǎn)生單極性電荷。收集極將電荷積聚起來，作為發(fā)電機(jī)的輸出端。由于單個(gè)通道值下降極小，即氣體中釋放出來的熱能很少，因此必須串聯(lián)大量通道。這樣，當(dāng)工作溫度為1000℃時(shí)，發(fā)電效率可達(dá)50%以上。盡管從原理上講,電氣體發(fā)電可用于大功率民用發(fā)電,但由于技術(shù)上的困難，其實(shí)現(xiàn)前景遠(yuǎn)不如磁流體發(fā)電明朗。電氣體發(fā)電裝置作為中、小功率的高壓電源，可用于靜電噴涂、靜電除塵、電子束焊機(jī)等裝置，特別在航天飛行器中，可作供電的隨航裝置或作為靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的電源。

電氣體發(fā)電裝置和磁流體發(fā)電裝置的異同可列表如下：

氣體發(fā)電裝置和磁流體發(fā)電裝置的比較

電流體泵(離子對(duì)流泵) 工作過程是電氣體發(fā)電的逆過程。其優(yōu)點(diǎn)是沒有運(yùn)動(dòng)部件和回轉(zhuǎn)力矩，噪聲小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用電流體泵的工作原理可以制造飛行器的電氣體動(dòng)力推進(jìn)器。在地球大氣層中，電氣體動(dòng)力推進(jìn)器不如其他類型的推進(jìn)器，但在某些含有高絕緣強(qiáng)度高壓氣體的行星大氣層中，這種電氣體動(dòng)力推進(jìn)器會(huì)顯示出優(yōu)越性。

電流體動(dòng)力學(xué)還可應(yīng)用于電流體動(dòng)力工藝（如著色、材料電鍍、作物授粉和撒藥、熏制生產(chǎn)、臭氧生產(chǎn)以及凈化和分離，等等）、電流體動(dòng)力檢測(cè)（如通過測(cè)量壓力變化可確定發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中出現(xiàn)的微量金屬粒子，從而掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損程度）以及生物和醫(yī)學(xué)中的一些領(lǐng)域。

電流體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是由帶電粒子和中性粒子組成的二組元系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可用單組元流體模型作近似處理。假定表征介質(zhì)性質(zhì)的系數(shù)都是常數(shù)且流體是理想的（無粘性、無電阻、不導(dǎo)熱），則基本方程組包括：

連續(xù)性方程

能量方程

運(yùn)動(dòng)方程

狀態(tài)方程

電場(chǎng)方程

廣義歐姆定律

式中p為流體壓力；ρ為流體密度；T為溫度；v為流體速度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；J為電流密度；q為電荷密度；b為荷遷移率；c_v為定容比熱；R為氣體常數(shù)。電流體動(dòng)力學(xué)基本方程組同磁流體力學(xué)基本方程組主要不同點(diǎn)是在動(dòng)運(yùn)方程中用靜電力qE代替J×B，在電場(chǎng)方程中第二式的右端用零代替項(xiàng)；在廣義歐姆定律中用qv代替v×B項(xiàng)。

在一般情況下，可建立二組元模型的方程組，表征介質(zhì)性質(zhì)的系數(shù)可以不是常數(shù)。還可以把粘性、電阻、熱傳導(dǎo)等因素也考慮進(jìn)去。

電流體動(dòng)力學(xué)有三個(gè)主要的研究領(lǐng)域：①電流體動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)學(xué)描述和理論分析：包括電流體動(dòng)力學(xué)基本方程組的建立；電流體動(dòng)力學(xué)判據(jù)的確定；電流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)的研究，包括單組元電氣體動(dòng)力流動(dòng)、電氣體動(dòng)力流動(dòng)中的間斷、二組元電氣體動(dòng)力流動(dòng)、電氣體動(dòng)力波動(dòng)等的研究。②電流體動(dòng)力過程的物理研究：包括電氣體動(dòng)力放電、輸運(yùn)系數(shù)的研究；電場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)基本特性的影響的研究等。③電流體動(dòng)力過程在工程技術(shù)中的應(yīng)用：包括各種電氣體動(dòng)力裝置的理論和實(shí)驗(yàn)研究；實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)和半工業(yè)樣機(jī)的研制。

19世紀(jì)末，人們就已觀察到電場(chǎng)對(duì)單極性荷電氣體的運(yùn)動(dòng)有直接影響。1897年，S.A.阿倫尼烏斯首次發(fā)表了電流體動(dòng)力現(xiàn)象的定量研究結(jié)果。1899年，A.查托克首次提出了電暈風(fēng)的電氣體動(dòng)力學(xué)理論。1936年，G.龐特涅研制成利用壓縮空氣進(jìn)行工作的發(fā)電機(jī)，采用特制的粉塵作電荷載體。1937年，T.巴巴特研制成巴巴特離子對(duì)流發(fā)電機(jī)。直到20世紀(jì)50年代，電流體動(dòng)力學(xué)才真正開始成為一門較系統(tǒng)的學(xué)科。

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(chǎng)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(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)模型方程組的類型而言，它是一類可對(duì)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(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：星際空間無作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽風(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(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(duì)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(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)裝置過重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。2100433B

流體動(dòng)力學(xué)研究的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)中的流體(流體指液體和氣體)的狀態(tài)與規(guī)律。 流體動(dòng)力學(xué)底下的小學(xué)科包括有空氣動(dòng)力學(xué)(研究氣體)和 hydrodynamics(研究液體)

流體動(dòng)力學(xué)(Fluid dynamics)是流體力學(xué)的一門子學(xué)科。

流體動(dòng)力學(xué)有很大的應(yīng)用,在預(yù)測(cè)天氣,計(jì)算飛機(jī)所受的力和力矩,輸油管線中石油的流率等方面。其中的的一些原理甚至運(yùn)用在交通工程。交通運(yùn)輸本身被視為一連續(xù)流體,解決一個(gè)典型的流體動(dòng)力學(xué)問題,需要計(jì)算流體的多項(xiàng)特性,包括速度,壓力,密度,溫度。