磁流体推进的研究

磁流体推进的研究

姓名：娄树旗 学号：20090916 班级：04120901 专业：电子科学与技术（光电子方向）

摘要：磁流体推进是利用海水中电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生推力的一种推进方法，可用于船舶、鱼雷、潜艇等水中作业工具，具有振动小、噪声低、操作灵活等优良特点。由于超导磁体的应用，目前磁流体推进技术已处于推进实用化研究阶段，大部分科学难题都已得到解决，但仍有少部分问题没有得到有效解决，比如如何完善超导材料及磁体技术。为了能够找到克服技术难题的关键，必须从工作原理对磁流体推进技术作详细的叙述，对磁流体推进器作系统的分析和对比，从中发现线索，找到突破口。

关键词：磁流体推进；超导磁体；工作原理

一、引言：

传统的船舶动力来源一般是人力、自然力、机械力，既耗时又耗力。现代船舶改用电力

作为推动装置，大大简化了操控过程，再加上核能发电技术的日益完善，现代船舶航行现状大为改观，船速更快，船向变化更灵敏。而磁流体概念的诞生又为现代推进技术增加了改进的可行性。

二、磁流体推进的工作原理：

法拉第研究出电与磁的关系后，世人对电磁之间的关系产生了极大的兴趣，以至于电磁技术在短时间内得到了长足的发展。磁流体推进技术便是电与磁相互作用的结果。

带电离子或者通电直导线在磁场中会受到力的作用，带电粒子受的力叫洛伦兹力，通电

导线受的力叫安培力。该力与离子运动速度或者导体棒中的电流满足左手系，即伸直左手，让磁感线垂直穿过手心，四指指向离子运动或导体棒中电流的方向，大拇指的指向就是带电粒子或者通电直导线受到的力的方向。磁流体推进技术就是依据以上的基本原理发展起来的。

                            

 

 

 

 

我们先看一个磁流体推进简图（右图所示）。

此图为磁流体推进最简单的矩形通道图，该矩形长、宽、高分别为L、a、b，电流大小为I,电流密度为，电源电动势为E，穿过绝缘板的磁场的磁感应强度为B，海水受力，矩形通道受力为，海水流速为，船速为。

磁流体推进是把海水作为导电体，利用磁体在通道内建立磁场，通过电极向海水供电。当海水进入通道经过电流时，海水成为载流体，载流海水在垂直于它的磁场中受到力的作用，力的方向与海水在通道内的运动一致。海水受力的反作用力——推力，推动船舶向前运动。

假设导线为理想导线（即电阻为零），则两金属板间的电压为E，将通过通道的海水看做电阻，设海水的电导率为，则：

通道内海水的电阻：；                                (1)

通过该“电阻”的电流大小为：；                             (2)

电流密度为。                                             (3)

将该矩形通道置于空间坐标系中（如上图所示），取一体积为的微元，将其看做一根载流直导线，其上电流为，则根据左手定则，该微元受到的安培力为：，方向与海水流速方向相同。在整个矩形通道内积分，得出海水在通道内所受的总的电磁力为：。         (4)

结合公式（1）（2）（3）可得：（此力也是海水作用于船体的力）；（5）

这里的是在流体速度为零的情况下计算出来的，实际上，推进器的推力还和流体的流速有关，实验证明，推进器的推力与流体流速成正比，即：      （6）

（为比例系数，<0； 为常数）。

船在行进过程中除了推进器提供动力外，还要受到阻力的作用，阻力是由水及空气与船体表面的摩擦以及船舶运动引起的波浪和漩涡产生的，这里为了简便起见，统称这些阻力为流体阻力。该阻力的大小与船体的形状、流体的性质以及船体相对于流体的速率有关。速率越大，阻力越大。当物体在流体中作低速运动时，流体阻力近似与速率成正比；高速时，流体阻力近似与速率的平方成正比。

当船体运动达到稳定时，可以认为流体阻力与船速的平方成正比，即：

（为常数）                                             （7）

若设船的质量为，运动时的加速度为，则由牛顿第二定律可得：

                                                  （8）

考虑流速所引起的压力的变化，利用伯努利方程：

常量 或者    （9）（其中项与流速有关，称为动压强；P和则称为静压强）

由伯努利方程可知：流速高的地方压力低，流速低的地方压力高。因此当船速很高时，通道内的海水的压强会变低，通道外海水压强高于其内海水压强，这也是阻力增大的一个重要原因。

由上可知，船体受力不仅与流体电导率有关，还与流体流速有关。通过增大流体电导率可以增大磁流体推进器的推力；通过改进船身构造和材料可以减小流体阻力，进而实现船体的高速运行。

三、磁流体推进器分类：

前面所述磁流体模型是最简单的，属线性磁流体推进器，科学家所研究的和实验船所采用的磁流体推进器都要比前述模型复杂的多。下面将对磁流体推进器的分类作一概括。

按照通道形状可以将其分为线性、螺旋形、环形和平板型，它们的工作原理都是一样的，但实际效果不同。

螺旋形磁流体推进器可以分为单螺旋、双螺旋、多螺旋三种情况，这三种情况的实际作用效果也是不一样的，多螺旋磁流体推进器的效率更高，在电流相等的情况下可以提供更大的推力，但结构复杂，成本高。       

环形磁流体推进器可以分为单环和多环，单环磁流体推进器的磁体还可以分为跑道型和工字型两类。跑道型磁体漏磁比较大，磁能利用率偏低，而工字型磁体由于结构不同，漏磁较跑道型要小，磁能利用率高。

平板型磁流体推进器按磁体和电极的布局可以分为竖板和卧板两类。竖板磁流体推进器由于地磁场的影响会产生不平衡的推力，而卧板磁流体推进器由于磁体卧置，其磁场轴线与地磁场轴线垂直，消除了地磁场的影响。

四、磁流体推进缺点剖析：

前面已经说了，磁流体推进是一项伟大的科学手段，其优点有很多，比如安静、高速运行，布局比较灵活，操作比较容易等。但任何一项科研成果都是既有利又有弊，磁流体推进技术也不例外，它有以下几个缺点：

（1） 产生气泡

由于磁流体推进器中有两个电极，而海水又是电解质，因此，在电极处会有海水的电离，所产生的和等气体融入水中便成为气泡。气泡进入海水中后会使海水的电导率降低，影响船的运行；另外，若气泡聚集在电极附近，则会使电极与海水接触的界面电阻增加，同样影响船速。

（2） 有噪声

前面说的安静运行只是相对的，其实磁流体推进器在工作时产生的气泡进入海水中会破裂，产生一定的噪声。对于要求隐蔽性能很好的潜艇来说，这种缺点是致命的。

（3） 漏磁现象

为了产生足够大的推力，需要有足够大的磁场，目前科学家正在尝试利用超导磁体产生强磁场的方法增大推力。但是，任何磁体都会存在漏磁现象，而且由于磁体的不同，结构的迥异，漏磁多少不一。漏磁会降低磁场强度，从而减小推力，影响船的正常运行。

（4） 环境污染

磁流体通道产生的“合成”海水中含有等污染物，它会影响海藻、甲壳类等海洋生物的生长。

五、发展前景：

磁流体推进技术是一项先进的、前沿的、复杂的科学技术，它涉及电磁学、流体力学、电化学等多种学科，综合性强，它会成为21世纪船舶主要的动力系统。虽然还有许多技术难题有待解决，但磁流体推进理念已经相当完善，相信随着科技的飞速发展和新技术新工艺的出现，这些技术难题一定会被攻克。从依靠自然力推进到发明电力推进，百余年悄然走过；从磁流体理念诞生到如今磁流体推进技术的逐渐完善，短短30年见证一切。磁流体推进技术的日新月异必将带来新的技术革命，它的意义可以与飞机的喷气推进代替螺旋桨推进相媲美。

 参考文献：

[1]磁流体推进/谭作武，恽嘉陵编著·-北京：北京工业大学出版社，1999

[2]大学物理·上册/苟秉聪，胡海云主编·-北京：国防工业出版社，2009.1

[3]大学物理·下册/苟秉聪，胡海云主编·-北京：国防工业出版社，2010.1

[4]磁流体力学/吴其芬，李桦编著·-长沙：国防科技大学出版社，2007.1