浅谈磁流体推进器

题目：

浅谈磁流体推进器

院系：理学院物理系

2017年6月14日

浅谈磁流体推进器

摘要

磁流体推进器是利用局部空间内海水中电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生推进力的一种新型推进装置，可用于船舶、鱼雷、潜艇等水中作业工具。由于其具有振动小、噪音低、操作灵活等优点，其在潜艇等军事单位方面的极具研究与应用价值。本文将浅谈磁流体推进器的基本工作原理，简要分析影响磁流体推进器工作效率的主要因素并试提出改进方向。磁流体推进器投入使用已有约三十年的历史，一些在世界上对磁流体推进器应用处于领先水平的船舶、潜艇等大都采用超导磁体提供磁场，但磁流体推进技术目前仍尚处于初级阶段，许多关键技术有待深入研究和突破。

关键词：磁流体推进器，推进力，潜艇，超导磁体.

一、引言

传统机械传动类推进器（譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等）主要使用机械动力作为推力，但传统推进器具有机械振动强、噪音大、隐蔽性差等缺点。

磁流体推进是一种综合性很强的高新技术，它涉及电磁学、流体力学、电化学等相互交叉学科的理论，又涉及新结构、新材料、新控制方法等综合性技术。

船舶磁流体推进是近二三十年出现的一种新型的船舶推进方式，它是利用海水中的电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生反作用推进力的一种推进方法。船舶磁流体推进器具有高速、振动小、噪声低、操纵灵活、布置方便等特点。【1】1992 年世界第一艘超导磁流体推进船“大和1号”的试航成功,标志着磁流体推进研究进入了一个新阶段,目前许多造船大国纷纷对此技术进行详细研究,并预测此种推进方式将是本世纪最具发展前景的船舶推进方式之一。

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二、相关概念

1.磁流体推进器：磁流体推进器（英语：Magnetohydrodynamic Drive，MHD）狭义上是指

贯通海水的通道内建有一个磁场，这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用，使之在通道内运动，若运动方向指向船艉，则反作用力便会推动船舶前进。【2】

2.磁流体：磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体

的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、基载液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。【3】

需声明的是，本文中“磁流体”指在磁场中受力的作用的导电流体。

3.流体阻力：物体相对于流体运动所受的逆物体运动方向或沿来流速度方向的流体动力的分

力。

根据阻力产生原因分类，类型有摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、波阻以及兴波阻力等。

4.超导体：处于超导状态的导体称为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消

失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

三、磁流体推进器原理

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。

1.带电粒子在磁场中受到力的作用是磁流体推进技术的理论基础和技术原理。

洛伦兹力定律：运动带电粒子在磁场中受的力F与粒子的电荷q、速度v和磁感应强度B 之间有如下关系：

F=q v×B

该力F称为洛伦兹力。（以上粗体表示矢量）

洛仑兹力方程的积分形式为：

F=∫J×B dV（1）

2

其中V为积分的体积，J为电流密度，B为磁感应强度。

2.在船舶上安装电磁铁，通电后，海水中就会有磁场线通过，同时产生方向与磁场方向垂直

的电流，在磁场和电流相互作用下，船舶与海水之间产生大小相等方向相反的反作用力，从而船舶舰艇获得了前进的推力，推力的大小与磁场强度和电流大小的乘积成正比。如图，磁流体推进技术原理。

图1 通电海水在电磁力的作用下运动

3.磁流体推进器把海水作为导电体，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，载流海水在垂直与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。海水受到的反作用力——推力，推动船舶向前运动。

设线圈在两电极板间产生的磁场的磁感应强度为B，两电极间的近似匀强电场的电场强度为E，海水的电阻率为ρ。设电极内通道为长方体，通道横截面长为a（电极间距），宽为b，通道长为l，则在流体流速为零的情况下：

通道内海水的电阻：R=ρa

bl （2）

3

通过该“电阻”的电流大小为：I=E

（3）

R

（4）电流密度：J=I

bl

电导率：γ=1/ρ（5）由（1）（2）（3）（4）（5）式可得：

F=∫J×B dV=BEblγ（6）实际上，推进器的推力还与流体的流速有关，实验表明，推进器的推力与流体流速有如下关系：

F’= ku+c（7）（其中，k为比例系数，k<0；c为常数）

船舶等在行进中还会受到各种流体阻力的影响，流体阻力大小与船舶形状、流体性质以及船舶等相对于流体的速率有关。当物体以在流体中高速运动时，流体阻力与速率有如下关系：

f = k’u2 （8）（k’为阻力系数，取决于流体性质）

结合式（6）（7）（8）及以上分析可知，磁流体推进器的推进能力与流体电导率，流体流速有关，也与船舶外型构造以及船舶材质有关。通过增大流体电导率可以增大磁流体推进器的推进力，通过改进船舶构造和材质，可以减少船舶所受流体阻力，从而提高船舶等行驶速率。四、磁流体推进器分类

上述分析用磁流体推进器模型为最简单的模型，属于线性磁流体推进器。

按照通道形状不同，磁流体推进器可以分为线性、螺旋形、环形和平板型，它们的工作原理相同，但由于构造的原因，实际效果有明显差异：

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，一般而言，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，但缺点是结构复杂，成本高。

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