磁流体力学简介

磁流体力学简介

——《力学学报》编辑部约邱孝明为科技部写的，写于2005年7月31日修改于同年8月

11日.

Magneto-fluid mechanics, hydromagnetics, magnetohydrodynamics 以上三个英文词的中文意思都是磁流体力学，常用的是magnetohydrodynamics（缩写成MHD）。最初，MHD是指单流体；后来，不断衍生出一些新分支，如双温或三温MHD、辐射磁流体力学RMHD、EMHD（它是指包含了电子惯性的MHD）。今天人们把它们统称为MHD。它是结合经典流体力学和经典电动力学的方法研究导电流体（等离子体、液态金属或电解液等）在外加磁场中流动时与电磁场（其中的磁场不仅有外加的有时还有自生的）之间相互作用的学科。不少教科书把MHD看作是等离子体物理学的一个分支，还认为它是等离子体动力论（kinetics）的一种宏观近似（下面将看到，这些看法未必准确）；其实，它的发展历史比等离子体还早（前者始于1832年；后者1879年），特别是后来一些需要用MHD 来认识和解决的科学和技术问题的不断涌现使它已成为一门独立的学科而备受物理学、力学、应用数学和技术科学界的重视。这些问题包括：1. MHD发电；2. 磁重联和磁岛的产生与演变是磁约束聚变MCF（特别是其主要途径tokamak）、太阳物理和空间物理长期研究的重大课题；3. MHD湍流及其输运是MCF长期研究的重大课题（特别是，tokamak中的新经典撕裂模MHD湍流更是湍流这个跨世纪难题中的难题；不过，最近tokamak界已经找到实验上控制和利用新经典撕裂模MHD湍流的办法），也是快中子堆和聚变堆以及最近几年一些工业应用中液态金属流动研究的重大课题；4. 辐射磁流体力学（RMHD）是核武器物理和惯性约束聚变ICF长期研究的重大课题；5. 磁瑞利-泰勒（MRT）不稳定性是快Z篐缩等离子体辐射源PRS长期研究的重大课题（PRS将成为新兴学科高能量密度物理和实验室宇宙物理、ICF、材料科学等研究中的重要手段）；6. MHD减阻是最近十多年航空航天界及航海界迅速兴起的重大研究课题；7. MHD 有序结构（如soliton、shock等）和混沌，它们的研究正在不断丰富非线性科学的内容[邱孝明，《力学进展》20（1990）499]；8. 热、低温等离子体历来是滋生新兴应用研究领域的“肥沃土壤”（包括较新的“材料的电磁加工EPM”和“磁流变流体MRF”，最新的“新型人工电磁介质又称负折射率介质或左手变质介质left-handed metamaterials”和“等离子体光子晶体PPC”），但这些新兴应用研究领域的基本理论仍旧是MHD理论；9. 热、低温等离子体的另两个热门应用领域（等离子体推进器和等离子体隐身），除N-S方程外，它们的基本理论也是MHD理论；10. 一些原本是等离子体的动力论（kinetics）效应但用动力论理论又难以解决的难题，例如有限拉莫半径（FLR）

效应对MRT不稳定性的影响，最近有人却用FLR-MHD理论解决了，还有考虑了Hall效应的HALL-MHD.

总之，作为连续介质和电磁介质双重“身份”的磁流体有不少普通流体没有的重要特性，这就决定了磁流体这种系统的一个显著特点是它现象的多样性和行为的复杂性。所以它的研究不仅可以推动技术科学的发展，同样也有力地促进物理学、力学和数学等基础科学的发展。