磁流體力學

磁流體力學（magneto-fluid mechanics），結合流體力學和電動力學的方法研究導電流體和電磁場相互作用的學科。

基本介紹

• 中文名：磁流體力學
• 外文名：magneto-fluid mechanics
• 提出時間：1832年
• 提出者：法拉第

簡介

導電流體在電磁場裡運動時，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。

電漿和液態金屬都是導電流體。電漿包括99%以上的宇宙物質，電漿是電中性電離氣體，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。後者包括核動力裝置中的攜熱介質（如鈉、鉀、鈉鉀合金）、化學工業中的置換劑（如鈉、鉀、汞）、冶金鑄造工業中的熔融金屬等。地球表面一般不存在自然電漿，但可因核輻射、氣體放電、燃燒、電磁激波、雷射等方法產生人工電漿。因此，磁流體力學不僅與電漿物理學有聯繫，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新技術（如電磁泵、電弧加熱器、磁流體發電、電磁輸送、電磁推進等）中得到發展和套用。

環形電漿

基礎

磁流體力學以流體力學和電動力學為基礎﹐把流場方程和電磁場方程聯立起來﹐引進了許多新的特徵過程﹐因而內容十分豐富。宇宙磁流體力學更有其特色。首先﹐它所研究的對象的特徵長度一般來說是非常大的﹐因而電感的作用遠遠大於電阻的作用。其次﹐其有效時間非常久﹐所以由電磁原因引起的某些作用力縱然不大﹐卻能產生重大效應。磁流體力學大體上可以和流體力學平行地進行研究﹐但因磁場的存在也具有自己的特點﹕在磁流體靜力學中的平衡方程﹐和流體靜力學相比﹐增加了磁應力部分﹐它研究磁場的“運動”﹐即在介質流動下磁場的演變。與正壓流體中的渦旋相似﹐磁場的變化也是由對流和擴散兩種作用引起的。如果流體是理想導體﹐磁力線則凍結在流體上﹐即在同一磁力線上的質點恆在同一磁力線上﹐如果電導率是有限的﹐則磁場還要擴散。兩種作用的強弱取決於磁雷諾數4πUL/c(c為光速﹐為電導率﹐U和L分別為問題的特徵速度和特徵長度)的大小。研究流動如何產生和維持天體中磁流發電機制(見太陽平均磁流發電機機制)﹐目前大多是以運動學為基礎的。

分支

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於靜平衡的問題；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。

導電流體有電漿和液態金屬等。電漿是電中性電離氣體，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電漿，但對地球來說，除大氣上層的電離層和輻射帶是電漿外，地球表面附近(除閃電和極光外)一般不存在自然電漿，但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對論電子束和雷射等方法產生人工電漿。

能套用磁流體力學處理的電漿溫度範圍頗寬，從磁流體發電的幾千度到受控熱核反應的幾億度量級(還沒有包括固體電漿)。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繫。

簡史

1832年M.法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，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差，未達到目的。1937年J. F.哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，並成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存電漿的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的電漿。

然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學穩定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩定性判據，這個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波（即阿爾文波、快磁聲波和慢磁聲波）存在。

5研究方法

研究方法電漿的密度範圍很寬。對於極其稀簿的電漿，粒子同的碰撞和集體效應可以忽略，可採用單粒子軌道理論研究電漿在磁場中的運動。對於稠密電漿，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種電漿在磁場中的運動有兩種方法，一是統計力學方法，即所謂電漿動力論，它從微觀出發，把氣體當作正、負粒子和中性粒子的混含物，並考慮粒子之同的相互碰撞影響，用統計方法研究電漿在磁場中的巨觀運動；—是連續介質力學方法即磁流體力學，把電漿當作連續介質（見連續介質假設）來研究它在磁場中的運動。電漿動力論對電漿作最基本的描述，分析深刻，而磁流體力學則是它的一種巨觀近似，所以用電漿動力論能判斷磁流體力學處理實際問題的有效性。此外，電漿動力論還可用來計算磁流體力學中的一切輸運係數（如擴散、粘性、熱傳導和電阻係數等）並討論它們的物理機制。但這種方法的數學分析很困難，故在處理實際問瓶時，套用磁流體力學比較方便，而輸運係數則由實驗測定或用電漿動力學分析計算。對無碰撞的電漿，有時也可套用流體動力學方法，例如流體粒子的無規運動速度比巨觀速度小得多，即壓力和溫度可以忽略時，可用冷電漿模型和方程處理等離子在電磁場中的運動。固態電漿和冷電漿的模型很近似。儘管可以套用上述較簡單的磁流體力學理論解決實際問題，但在稀薄氣體的某些場合下，只有動力論的描述才是恰當的。例如平衡電漿中的電子電漿振盪所受的阻尼（即朗道阻尼）問題，是不可能用磁流體力學模型描述的，必須用動力論方法才能解決。

磁流體力學是在非導電流體力學的基礎上研究導電流體中流場和磁場的相互作用的。進行這種研究必須對經典流體力學加以修正，以便得到磁流體力學基本方程組，包括考慮介質運動的電動力學方程組和考慮電磁場作用的流體力學方程組。電動力學方程組包含電導率、電容率、磁導率；流體力學方程組包含粘性係數、熱導率、氣體比熱等物理參量。它們有時是常數，有時是其他量的函式。磁流體力學基本方程組具有非線性且包含方程個數又多，所以求解困難。但在實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。一般套用量綱分析和相似律求得表征一個物理問題的相似準數，並簡化方程，即可得到有實用價值的解。

磁流體力學基本方程組具有非線性且包含方程個數又多，造成求解困難。但在實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，在利用磁流體力學基本方程組來解決種種實際問題時，可在實驗或觀測的基礎上，建立表征研究對象主要實質的物理模型來簡化基本方程組。一般套用量綱分析和相似律求得表征一個物理問題的相似準數，並簡化方程，從而得到有實用價值的解。磁流體力學相似準數有雷諾數、磁雷諾數、哈特曼數（見哈特曼流動）、馬赫赫、磁馬赫數、磁力數、相互作用數等。求解簡化後的方程組不外是分桁法和數值法。利用計算機技術和計算流體力學方法可以求解較複雜的問題。

磁流體力學的理論很難象普通流體力學理論那樣得到充分的驗證。由於在常溫下可供選擇的介質很少，同時需要很強的磁場才能觀察到磁流體力學現象，故不易進行模似。早期是用水銀進行實驗，但水銀在磁場中運動時只呈現出不可壓縮流體現象，而電漿處於高溫狀態，現象複雜，帶來許多有待研究的診斷問題（見電漿診斷）。模擬天體大尺度的磁流體力學問厘更不易在實驗室中實現。所以磁流體力學的理論有的可以得到定量驗證，有的只能得到定性或間接的驗證。當前有關磁流體力學的實驗是在各種電漿發生器和受控熱核反應裝置中進行的。

研究內容

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

第一部分

①忽略磁場力對流體的作用，單獨考慮理想導電流體運動對磁場影響的問題，或流體靜止時，流體電阻對磁場影響的問題，其中包括磁凍結和磁擴散（見磁流體力學基本方程組）。

第二部分

②通過磁場力來考察磁場對靜止導電流體或理想導電流體的約束機制。這個問題是磁流體靜力學的研究範疇，對受控熱核反應十分重要。磁流體靜力學在天體物理中，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。

第三部分

③研究磁場力對導電流體定常運動的影響。方程的非線性使磁流體動力學流動的數學分析複雜化，通常要用近似方法或數值法求解。對於一般的磁流體動力學流動雖然都有相應的研究,但僅少數有精確解,如哈特曼流動、庫埃特流動等。它們雖然是簡化情況的解，然而清晰地闡明了基本的流動規律，利用這些規律至少可以定性地討論更複雜的磁流體動力學流動。

第四部分

④研究磁流體動力學波，包括小擾動波、有限振幅波和激波。了解電漿中波（磁流體動力學波是其中一部分）的傳播規律，就可以探測電漿的某些性質。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套用。

套用

磁流體力學主要套用於三個方面：天體物理、受控熱核反應和工業。

天體物理、太陽物理和地球物理方面

宇宙中恆星和星際氣體都是電漿，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展和套用。當前，關於太陽的研究課題有：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，地球磁場的起源，等等。

受控熱核反應方面

受控熱核方應方面 這方面的套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生核聚變的高溫，並約束它足夠的時間，以使核反應產生的能量大於所消耗的能量。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達到5000萬到1億開並要求粒子密度和約束時間的乘積不小於10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環形磁約束裝置）在受控熱核反應研究中顯出優越性。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電漿，沒有得到溫度、密度和約束時間都滿足勞孫條件的電漿。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運行範圍都受穩定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩定性越差，所以必須開展對電漿中的平衡和大尺度不穩定性預測的磁流體力學研究，以期得到穩定的並充分利用磁場的托卡馬克磁約束裝置。

工業方面

磁流體力學除了與開發和利用核聚變能有關外，還與磁流體發電密切聯繫。磁流體發電的原理是用電漿取代發電機轉子，省去轉動部件，這樣可以把普通火力發電站或核電站的效率提高15〜20%，甚至更高，既可節省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發電裝罝的熱效率，必須運用磁流體力學來分析發電通道中的流動規律，傳熱、傳質規律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發電對產煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業發電階段發展。蘇聯已實現天然氣磁流體發電。

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）。電磁泵已用於核能動力裝置中傳熱迴路內液態金屬的傳輸，冶金和鑄造工業中熔融金屬的自動定量澆注和攪拌，化學工業中汞、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電漿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電漿，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由於磁場裝置過重，這種構想尚未能實現。

其他

此外，電磁流量計、電磁製動、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學在工業套用上所取得的成就。

關於低溫電漿技術，見等離於體的工業套用。

相關信息

磁流體發電技術

就是用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能等）直接加熱成易於電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導電的離子流，然後讓其在磁場中高速流動時，切割磁力線，產生感應電動勢，即由熱能直接轉換成電流，由於無需經過機械轉換環節，所以稱之為"直接發電"，其燃料利用率得到顯著提高，這種技術也稱為"電漿發電技術"。

磁流體發電是一種新型的高效發電方式，其定義為當帶有磁流體的電漿橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，由磁力線切割產生電；在磁流體流經的通道上安裝電極和外部負荷連線時，則可發電。

為了使磁流體具有足夠的電導率，需在高溫和高速下，加上鉀、銫等鹼金屬和加入微量鹼金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質，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磁流體發電，後者通過換熱器將工質加熱後再穿過磁場的叫閉環磁流體發電。

燃煤磁流體發電技術--亦稱為電漿發電，就是磁流體發電的典型套用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體並以高速流過強磁場時，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，發出直流電，經直流逆變為交流送入交流電網。

磁流體發電本身的效率僅20%左右，但由於其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發電，組成高效的聯合循環發電，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產生，也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

在磁流體發電技術中，高溫陶瓷不僅關係到在2000～3000K磁流體溫度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發電系統能否正常工作的關鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達到3090K。

磁流體發電的原理

根據電磁感應原理，用導電流體（氣體或液體）與磁場相對運動而發電。

磁流體發電按工質的循環方式分為開式循環系統、閉式循環系統和液態金屬循環系統。最簡單的開式磁流發電機由燃燒室、發電通道和磁體組成。工作過程是：在燃料燃燒後產生的高溫燃氣中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離，經噴管加速，產生溫度達3000℃、速度達1000米/秒的高溫高速導電氣體（部分電漿），導電氣體穿越置於強磁場中的發電通道，作切割磁力線的運動，感生出電流。磁流體發電機沒有運動部件，結構緊湊，起動迅速，環境污染小，有很多優點。特別是它的排氣溫度高達2000℃，可通入鍋爐產生蒸汽，推動汽輪發電機組發電。這種磁流體－蒸汽動力聯合循環電站，一次燃燒兩級發電，比現有火力發電站的熱效率高10－20%，節省燃料30%，是火力發電技術改造的重要方向。磁流體發電的研究始於20世紀50年代末，被認為是最現實可行、最有競爭力的直接發電方式。它涉及到磁流體動力學、等離子物理、高溫技術及材料、低溫超導技術和熱物理等領域，是一項大型工程性課題。許多先進國家都把它列為國家重點科研項目，有的建立國際間協作關係，以期早日突破。

從發電的機理上看，磁流體發電與普通發電一樣，都是根據法拉第電磁感應定律獲得電能。所不同的是，磁流體發電是以高溫的導電流體（在工程技術上常用電漿）高速通過磁場，以導電的流體切割磁感線產生電動勢。這時，導電的流體起到了金屬導線的作用。

磁流體發電中所採用的導電流體一般是導電的氣體，也可以是液態金屬。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，才有較大的導電率。而磁流體發電一般是採用煤、石油或天然氣作燃料，燃料在空氣中燃燒時，即使把空氣預熱到1400K，也只能使空氣達到3000K的溫度，這時氣體的導電率還不能達到所需的值，而且即使再提高溫度，導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電，並有較高的導電率?實際中採用的辦法是在高溫燃燒的氣體中添加一定比例的、容易電離的低電離電位的物質，如鉀、銫等鹼金屬化合物。這種鹼金屬化合物被稱為“種子”。在氣體中加入這種低電離電位物質的量一般以氣體重量的1%為佳。這樣氣體溫度在3000K左右時，就能達到所要求的導電率。當這種氣體以約1000m/S的速度通過磁場時，就可以實現具有工業套用價值的磁流體發電。

磁流體發電是一種新型的發電方法。它把燃料的熱能直接轉化為電能，省略了由熱能轉化為機械能的過程，因此，這種發電方法效率較高，可達到60%以上。同樣燒一噸煤，它能發電4500千瓦時，而汽輪發電機只能發出3000千瓦時電。對環境的污染也小

磁流體發電中，導電流體單位體積的輸出功率We為

We=σv 2B 2k(1-k)式中σ為導電流體的電導率，v為流體的運動速度，B為磁場的磁通密度，k為電負載係數。典型的數據是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年代後期，世界上技術最先進的磁流體發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裝置，額定功率為20.5兆瓦。

磁流體發電的歷史

1832年法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，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差，未達到目的。1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，並成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存電漿的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的電漿。

然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學穩定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩定性判據，這個課題的研究至今仍很活躍。

美國是世界上研究磁流體發電最早的國家，1959年，美國就研製成功了11.5千瓦磁流體發電的試驗裝置。60年代中期以後，美國將它套用在軍事上，建成了作為雷射武器脈衝電源和風洞試驗電源用的磁流體發電裝置。

日本和前蘇聯都把磁流體發電列入國家重點能源攻關項目，並取得了引人注目的成果。前蘇聯已將磁流體發電用在地震預報和地質勘探等方面。前蘇聯在1971年建造了一座磁流體——蒸汽聯合循環試驗電站，裝機容量為7.5萬千瓦，其中磁流體電機容量為2.5萬千瓦。1986年，前蘇聯開始興建世界上第一座50萬千瓦的磁流體和蒸汽聯合電站，這座電站使用的燃料是天然氣，它既可供電，又能供熱，與一般的火力發電站相比，它可節省燃料20%。

磁流體發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電。目前，世界上有17個國家在研究磁流體發電，而其中有13個國家研究的是燃煤磁流體發電，包括中國、印度、美國、波蘭、法國、澳大利亞、前蘇聯等。

我國於本世紀60年代初期開始研究磁流體發電，先後在北京、上海、南京等地建成了試驗基地。根據我國煤炭資源豐富的特點，我國將重點研究燃煤磁流體發電，並將它作為“863”計畫中能源領域的兩個研究主題之一，爭取在短時間內趕上世界先進水平。

作為一種高技術，磁流體發電推動著工程電磁流體力學這門新興學科和高溫燃燒、氧化劑預熱、高溫材料、超導磁體、大功率變流技術、高溫診斷和降低工業動力裝置有害排放物的先進方法等一系列新技術的發展。這些科學成果和技術成就可以得到其他方面的套用，並有著美好的發展前景。

綜上所述，從高效率、低污染、高技術的考慮，使得磁流體發電從其原理性實驗成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續穩定的支持。

參考書目

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、陸志雲譯:《電漿動力學》，科學出版社，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.