磁流體推進(jìn)的研究
姓名：婁樹(shù)旗 學(xué)號(hào)：20090916 班級(jí)：04120901 專(zhuān)業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)（光電子方向）
摘要：磁流體推進(jìn)是利用海水中電流與磁場(chǎng)間的相互作用力使海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方法，可用于船舶、魚(yú)雷、潛艇等水中作業(yè)工具，具有振動(dòng)小、噪聲低、操作靈活等優(yōu)良特點(diǎn)。由于超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，目前磁流體推進(jìn)技術(shù)已處于推進(jìn)實(shí)用化研究階段，大部分科學(xué)難題都已得到解決，但仍有少部分問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，比如如何完善超導(dǎo)材料及磁體技術(shù)。為了能夠找到克服技術(shù)難題的關(guān)鍵，必須從工作原理對(duì)磁流體推進(jìn)技術(shù)作詳細(xì)的敘述，對(duì)磁流體推進(jìn)器作系統(tǒng)的分析和對(duì)比，從中發(fā)現(xiàn)線(xiàn)索，找到突破口。
關(guān)鍵詞：磁流體推進(jìn)；超導(dǎo)磁體；工作原理
一、引言：
傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力來(lái)源一般是人力、自然力、機(jī)械力，既耗時(shí)又耗力。現(xiàn)代船舶改用電力
作為推動(dòng)裝置，大大簡(jiǎn)化了操控過(guò)程，再加上核能發(fā)電技術(shù)的日益完善，現(xiàn)代船舶航行現(xiàn)狀大為改觀，船速更快，船向變化更靈敏。而磁流體概念的誕生又為現(xiàn)代推進(jìn)技術(shù)增加了改進(jìn)的可行性。
二、磁流體推進(jìn)的工作原理：
法拉第研究出電與磁的關(guān)系后，世人對(duì)電磁之間的關(guān)系產(chǎn)生了極大的興趣，以至于電磁技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。磁流體推進(jìn)技術(shù)便是電與磁相互作用的結(jié)果。
帶電離子或者通電直導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，帶電粒子受的力叫洛倫茲力，通電
導(dǎo)線(xiàn)受的力叫安培力。該力與離子運(yùn)動(dòng)速度或者導(dǎo)體棒中的電流滿(mǎn)足左手系，即伸直左手，讓磁感線(xiàn)垂直穿過(guò)手心，四指指向離子運(yùn)動(dòng)或?qū)w棒中電流的方向，大拇指的指向就是帶電粒子或者通電直導(dǎo)線(xiàn)受到的力的方向。磁流體推進(jìn)技術(shù)就是依據(jù)以上的基本原理發(fā)展起來(lái)的。
我們先看一個(gè)磁流體推進(jìn)簡(jiǎn)圖（右圖所示）。
此圖為磁流體推進(jìn)最簡(jiǎn)單的矩形通道圖，該矩形長(zhǎng)、寬、高分別為L、a、b，電流大小為I,電流密度為，電源電動(dòng)勢(shì)為E，穿過(guò)絕緣板的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，海水受力
，矩形通道受力為
，海水流速為
，船速為。
磁流體推進(jìn)是把海水作為導(dǎo)電體，利用磁體在通道內(nèi)建立磁場(chǎng)，通過(guò)電極向海水供電。當(dāng)海水進(jìn)入通道經(jīng)過(guò)電流時(shí)，海水成為載流體，載流海水在垂直于它的磁場(chǎng)中受到力的作用，力的方向與海水在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)一致。海水受力的反作用力——推力，推動(dòng)船舶向前運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)導(dǎo)線(xiàn)為理想導(dǎo)線(xiàn)（即電阻為零），則兩金屬板間的電壓為E，將通過(guò)通道的海水看做電阻，設(shè)海水的電導(dǎo)率為，則：
通道內(nèi)海水的電阻：； (1)
通過(guò)該“電阻”的電流大小為：； (2)
電流密度為。 (3)
將該矩形通道置于空間坐標(biāo)系中（如上圖所示），取一體積為的微元，將其看做一根載流直導(dǎo)線(xiàn)，其上電流為，則根據(jù)左手定則，該微元受到的安培力為：，方向與海水流速方向相同。在整個(gè)矩形通道內(nèi)積分，得出海水在通道內(nèi)所受的總的電磁力為：。 (4)
結(jié)合公式（1）（2）（3）可得：（此力也是海水作用于船體的力）；（5）
這里的是在流體速度為零的情況下計(jì)算出來(lái)的，實(shí)際上，推進(jìn)器的推力還和流體的流速有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，推進(jìn)器的推力與流體流速成正比，即： （6）
（為比例系數(shù)，<0； 為常數(shù)）。
船在行進(jìn)過(guò)程中除了推進(jìn)器提供動(dòng)力外，還要受到阻力的作用，阻力是由水及空氣與船體表面的摩擦以及船舶運(yùn)動(dòng)引起的波浪和漩渦產(chǎn)生的，這里為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，統(tǒng)稱(chēng)這些阻力為流體阻力。該阻力的大小與船體的形狀、流體的性質(zhì)以及船體相對(duì)于流體的速率有關(guān)。速率越大，阻力越大。當(dāng)物體在流體中作低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體阻力近似與速率成正比；高速時(shí)，流體阻力近似與速率的平方成正比。
當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，可以認(rèn)為流體阻力與船速的平方成正比，即：
（為常數(shù)） （7）
若設(shè)船的質(zhì)量為，運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為，則由牛頓第二定律可得：
（8）
考慮流速所引起的壓力的變化，利用伯努利方程：
常量 或者 （9）（其中項(xiàng)與流速有關(guān)，稱(chēng)為動(dòng)壓強(qiáng)；P和則稱(chēng)為靜壓強(qiáng)）
由伯努利方程可知：流速高的地方壓力低，流速低的地方壓力高。因此當(dāng)船速很高時(shí)，通道內(nèi)的海水的壓強(qiáng)會(huì)變低，通道外海水壓強(qiáng)高于其內(nèi)海水壓強(qiáng)，這也是阻力增大的一個(gè)重要原因。
三、磁流體推進(jìn)器分類(lèi)：
前面所述磁流體模型是最簡(jiǎn)單的，屬線(xiàn)性磁流體推進(jìn)器，科學(xué)家所研究的和實(shí)驗(yàn)船所采用的磁流體推進(jìn)器都要比前述模型復(fù)雜的多。下面將對(duì)磁流體推進(jìn)器的分類(lèi)作一概括。
按照通道形狀可以將其分為線(xiàn)性、螺旋形、環(huán)形和平板型，它們的工作原理都是一樣的，但實(shí)際效果不同。
螺旋形磁流體推進(jìn)器可以分為單螺旋、雙螺旋、多螺旋三種情況，這三種情況的實(shí)際作用效果也是不一樣的，多螺旋磁流體推進(jìn)器的效率更高，在電流相等的情況下可以提供更大的推力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
環(huán)形磁流體推進(jìn)器可以分為單環(huán)和多環(huán)，單環(huán)磁流體推進(jìn)器的磁體還可以分為跑道型和工字型兩類(lèi)。跑道型磁體漏磁比較大，磁能利用率偏低，而工字型磁體由于結(jié)構(gòu)不同，漏磁較跑道型要小，磁能利用率高。
平板型磁流體推進(jìn)器按磁體和電極的布局可以分為豎板和臥板兩類(lèi)。豎板磁流體推進(jìn)器由于地磁場(chǎng)的影響會(huì)產(chǎn)生不平衡的推力，而臥板磁流體推進(jìn)器由于磁體臥置，其磁場(chǎng)軸線(xiàn)與地磁場(chǎng)軸線(xiàn)垂直，消除了地磁場(chǎng)的影響。
四、磁流體推進(jìn)缺點(diǎn)剖析：
前面已經(jīng)說(shuō)了，磁流體推進(jìn)是一項(xiàng)偉大的科學(xué)手段，其優(yōu)點(diǎn)有很多，比如安靜、高速運(yùn)行，布局比較靈活，操作比較容易等。但任何一項(xiàng)科研成果都是既有利又有弊，磁流體推進(jìn)技術(shù)也不例外，它有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
（1） 產(chǎn)生氣泡
由于磁流體推進(jìn)器中有兩個(gè)電極，而海水又是電解質(zhì)，因此，在電極處會(huì)有海水的電離，所產(chǎn)生的和等氣體融入水中便成為氣泡。氣泡進(jìn)入海水中后會(huì)使海水的電導(dǎo)率降低，影響船的運(yùn)行；另外，若氣泡聚集在電極附近，則會(huì)使電極與海水接觸的界面電阻增加，同樣影響船速。
（2） 有噪聲
前面說(shuō)的安靜運(yùn)行只是相對(duì)的，其實(shí)磁流體推進(jìn)器在工作時(shí)產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入海水中會(huì)破裂，產(chǎn)生一定的噪聲。對(duì)于要求隱蔽性能很好的潛艇來(lái)說(shuō)，這種缺點(diǎn)是致命的。
（3） 漏磁現(xiàn)象
為了產(chǎn)生足夠大的推力，需要有足夠大的磁場(chǎng)，目前科學(xué)家正在嘗試?yán)贸瑢?dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的方法增大推力。但是，任何磁體都會(huì)存在漏磁現(xiàn)象，而且由于磁體的不同，結(jié)構(gòu)的迥異，漏磁多少不一。漏磁會(huì)降低磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而減小推力，影響船的正常運(yùn)行。
（4） 環(huán)境污染
磁流體通道產(chǎn)生的“合成”海水中含有等污染物，它會(huì)影響海藻、甲殼類(lèi)等海洋生物的生長(zhǎng)。
五、發(fā)展前景：
磁流體推進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的、前沿的、復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)，它涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、電化學(xué)等多種學(xué)科，綜合性強(qiáng)，它會(huì)成為21世紀(jì)船舶主要的動(dòng)力系統(tǒng)。雖然還有許多技術(shù)難題有待解決，但磁流體推進(jìn)理念已經(jīng)相當(dāng)完善，相信隨著科技的飛速發(fā)展和新技術(shù)新工藝的出現(xiàn)，這些技術(shù)難題一定會(huì)被攻克。從依靠自然力推進(jìn)到發(fā)明電力推進(jìn)，百余年悄然走過(guò)；從磁流體理念誕生到如今磁流體推進(jìn)技術(shù)的逐漸完善，短短30年見(jiàn)證一切。磁流體推進(jìn)技術(shù)的日新月異必將帶來(lái)新的技術(shù)革命，它的意義可以與飛機(jī)的噴氣推進(jìn)代替螺旋槳推進(jìn)相媲美。
參考文獻(xiàn)：
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[2]大學(xué)物理·上冊(cè)/茍秉聰，胡海云主編·-北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.1
[3]大學(xué)物理·下冊(cè)/茍秉聰，胡海云主編·-北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.1
[4]磁流體力學(xué)/吳其芬，李樺編著·-長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2007.1
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