磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用-LSEC
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磁流体动力学的物理学原理和应用引言磁流体动力学是研究带电流体在磁场中的运动和相互作用的学科。
它是磁学、流体力学、等离子体物理学等多个学科的交叉领域,具有广泛的理论价值和实际应用价值。
本文将从物理学原理和应用两个方面介绍磁流体动力学。
物理学原理磁场和磁力的作用磁场是由运动电荷产生的,是一种具有矢量性质的场。
磁场会对运动带电粒子施加力,称为磁力。
在磁场中运动的带电粒子会受到洛伦兹力的作用,洛伦兹力的大小和方向与磁场、带电粒子速度和电荷量有关。
磁流体动力学方程磁流体动力学方程是描述带电流体在磁场中运动的方程。
其中最基本的方程是磁场方程和流体力学方程。
磁场方程包括安培定律和法拉第电磁感应定律。
流体力学方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
通过磁流体动力学方程可以描述磁流体的运动和演化规律。
等离子体物理学基础等离子体是由带电离子和自由电子组成的气体态物质。
等离子体物理学是研究等离子体性质和行为的学科。
等离子体物理学在磁流体动力学中有着重要的应用。
应用磁流体动力学的应用非常广泛,下面介绍几个具有代表性的应用。
磁约束聚变磁约束聚变是一种利用磁场约束等离子体进行核聚变反应的技术。
在磁约束聚变中,等离子体被置于高强度的磁场中,通过调节磁场的形状和大小,使等离子体保持稳定,从而实现聚变反应。
磁流体动力学在磁约束聚变中有着重要的应用,可以描述等离子体在磁场中的运动和演化规律,优化聚变反应过程。
磁流体力学模拟磁流体力学模拟是利用计算机模拟等离子体在磁场中的运动和演化规律的方法,为磁约束聚变等磁流体动力学问题提供了重要的研究手段。
磁流体力学模拟可以预测等离子体的行为,包括湍流、不稳定性、聚变反应等,对设计和优化磁约束聚变设备具有重要意义。
等离子体喷射推进技术等离子体喷射推进技术是一种利用磁场加热和加速等离子体推进的技术。
在等离子体喷射推进中,通过在磁场中加热气体,使气体电离成等离子体,并利用磁场对等离子体进行加热和加速,从而推进飞行器。
磁流体力学的理论与实验研究引言磁流体力学(Magnetohydrodynamics,简称MHD)是研究磁场与流体力学相互作用的学科领域。
通过将电磁场与流体力学结合,磁流体力学理论为我们理解和解释自然界中的许多现象提供了重要的工具。
本文将介绍磁流体力学的基本概念、理论框架以及实验研究的进展。
磁流体力学的基本概念磁场与流体力学的相互作用磁流体力学研究的对象是具有导电性质的流体,在磁场作用下,流体中的电荷载流子受到洛伦兹力的作用。
这种相互作用可以通过磁流体力学方程组来描述。
磁流体力学方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和电磁场方程。
磁流体力学的应用领域磁流体力学广泛应用于天体物理学、等离子体物理学、核聚变研究等领域。
在天体物理学中,我们可以利用磁流体力学理论研究恒星大气、星际介质等天体现象;在等离子体物理学中,磁流体力学被用来研究等离子体的稳定性、湍流现象等;在核聚变研究中,磁流体力学在研究磁约束聚变装置中的等离子体行为和磁场结构等方面发挥重要作用。
磁流体力学的理论框架理想磁流体力学理想磁流体力学是指忽略粘性、电阻和热传导等非理想性的磁流体力学模型。
在理想磁流体力学中,磁场与流体之间的相互作用可以通过理想磁流体力学方程组来描述。
理想磁流体力学的基本假设有:磁流体是稳定的、连续的、无限可压缩的等。
等离子体磁流体力学等离子体磁流体力学主要用来研究等离子体的行为和等离子体内的磁场结构。
等离子体磁流体力学需要考虑等离子体的粘性、电阻和热传导等非理想性因素。
等离子体磁流体力学方程组由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、电流守恒方程和电场方程组成。
纳维-斯托克斯-欧姆-泊松方程(MHD方程组)纳维-斯托克斯-欧姆-泊松方程是用来描述磁流体力学行为的基本方程组。
该方程组由连续性方程、动量方程、能量方程、安培定律和泊松方程组成。
MHD方程组是研究磁流体力学的基础,通过求解MHD方程组,我们可以得到磁流体力学系统的解析解或数值解。
磁流体方程组磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,简称MHD)是研究导电流体(等离子体、液态金属等)在磁场中运动规律的学科。
磁流体方程组是描述这种物理现象的基础数学工具,它结合了流体动力学和电磁学的原理。
本文旨在深入解析磁流体方程组,探讨其物理背景、数学结构以及在实际应用中的重要性。
一、磁流体方程组的物理背景磁流体动力学起源于19世纪对太阳磁场和地球磁场的研究,后来随着等离子体物理和受控核聚变研究的兴起而得到快速发展。
在高温等离子体中,带电粒子(电子和离子)的运动不仅受到电场力的作用,还受到磁场力的影响。
这些力在宏观尺度上表现为流体的运动和电磁场的变化,磁流体方程组正是描述这种复杂相互作用的数学工具。
二、磁流体方程组的数学结构磁流体方程组通常由以下几个部分组成:1. 连续性方程:描述流体质量守恒的方程,与常规流体动力学中的连续性方程类似。
2. 动量方程:描述流体动量变化的方程,其中包含了磁场对流体动量的影响,即洛伦兹力。
3. 能量方程:描述流体能量守恒的方程,包括热传导、焦耳热等能量转换过程。
4. 麦克斯韦方程组:描述电磁场变化的方程,包括电场和磁场的相互转化以及电荷和电流对电磁场的影响。
在磁流体方程组中,电场和磁场不再是独立的物理量,而是通过流体的运动和电荷分布相互联系。
这使得磁流体方程组成为一个高度非线性且耦合的偏微分方程组,其求解难度远大于常规的流体动力学或电磁学问题。
三、磁流体方程组的求解方法由于磁流体方程组的复杂性和非线性,解析求解通常只适用于一些简单情况。
在实际应用中,数值求解是更为常见的方法。
数值求解磁流体方程组需要借助高性能计算资源,采用适当的数值算法(如有限差分法、有限元法、谱方法等)对空间和时间进行离散化,然后通过迭代方法求解离散后的代数方程组。
在数值求解过程中,需要特别注意以下几个问题:1. 数值稳定性:由于磁流体方程组中存在快速变化的物理过程(如阿尔芬波传播),数值求解时很容易出现数值不稳定现象。
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型磁流变阻尼器是一种基于磁流变液体的智能材料阻尼器。
该种阻尼器可以通过控制磁场强度来调节阻尼器的阻尼特性。
因此,磁流变阻尼器具有很好的适应性和可调性,可以广泛应用于振动控制、结构减振、地震工程等领域。
磁流变阻尼器的基本原理是利用磁场控制磁流变液中磁粒子的排列,从而改变磁流变液的阻尼特性。
在磁流变阻尼器的应用中,最常用的一种结构是悬臂梁结构。
因为悬臂梁结构简单、易于实现,且能够真实地模拟振动控制中的相关问题。
针对磁流变阻尼器在悬臂梁结构应用中的特性和力学模型,研究者们通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法,逐步深入研究和掌握了磁流变阻尼器的特性和力学模型。
下文着重探讨磁流变阻尼器的拟静力力学特性及力学模型。
磁流变阻尼器的拟静力学特性是指在阻尼器静止不动时施加的力与位移的关系。
由于磁流变阻尼器具有可调节的阻尼特性,因此在不同的磁场强度和位移条件下,阻尼器的拟静力学特性会有所不同。
以下就磁流变阻尼器的拟静力学特性作简单的介绍。
1. 线性区当磁场强度和位移都较小时,磁流变阻尼器的阻尼特性呈现出线性关系。
也就是说,拟静力向位移的曲线基本上是一条直线。
这个范围通常被称为线性区。
在该区域内,阻尼器的阻尼特性可描述为以下形式:F=CV其中,F是阻尼器所施加的阻尼力,C是阻尼系数,V是阻尼器所施加的速度(或位移速度)。
F=C(V^2/|V|)其中,F、C和V的含义同上。
磁流变阻尼器的力学模型是进行阻尼器设计和性能分析的基础。
由于阻尼器的复杂性质和非线性响应,因此理解阻尼器的力学模型对于进行合理的磁流变阻尼器结构设计和控制策略制定非常重要。
目前,磁流变阻尼器的力学模型可分为两类:基于微观力学模型的宏观模型和基于经验的宏观模型。
前者通常采用磁流变力学的微观理论模型,通过磁粒子间的相互作用力和物理力学效应来构建阻尼器的力学模型。
后者则通常采用经验公式,根据实验数据经验拟合来建立阻尼器的力学模型。
数值计算方法在物理问题求解中的应用随着科学技术的不断发展,数值计算方法在物理问题求解中的应用也越来越广泛。
数值计算方法是一种通过数值计算来解决实际问题的方法,它通过建立数学模型,利用计算机进行数值计算,得到问题的近似解。
在物理学中,数值计算方法可以应用于各个领域,如力学、电磁学、热学等,为科学研究和工程实践提供了有力的工具。
一、数值计算方法在力学问题中的应用力学是物理学的基础学科,研究物体的运动规律和受力情况。
在力学问题中,数值计算方法可以用来求解刚体的运动方程、弹性体的应力分布等。
例如,在刚体力学中,我们可以利用数值计算方法求解刚体的运动方程,得到刚体的位置、速度和加速度随时间的变化规律。
在弹性体力学中,数值计算方法可以用来求解弹性体的应力分布,帮助我们了解物体受力后的变形情况。
二、数值计算方法在电磁学问题中的应用电磁学是研究电磁现象和电磁场的学科,广泛应用于电子技术、通信技术等领域。
在电磁学问题中,数值计算方法可以用来求解电磁场的分布、电磁波的传播等。
例如,在静电学中,我们可以利用数值计算方法求解电荷分布所产生的电场分布,帮助我们了解电荷间的相互作用。
在电磁波传播中,数值计算方法可以用来模拟电磁波在不同介质中的传播情况,为无线通信等技术提供支持。
三、数值计算方法在热学问题中的应用热学是研究热现象和热力学规律的学科,广泛应用于能源、材料等领域。
在热学问题中,数值计算方法可以用来求解温度分布、热传导等问题。
例如,在传热学中,我们可以利用数值计算方法求解热传导方程,得到物体内部温度的分布情况。
在热辐射学中,数值计算方法可以用来模拟物体的辐射传热过程,帮助我们了解物体的辐射特性。
综上所述,数值计算方法在物理问题求解中的应用十分广泛。
它不仅可以帮助我们解决复杂的物理问题,还可以为科学研究和工程实践提供有力的支持。
当然,数值计算方法也存在一些限制和局限性,如计算误差、计算复杂度等。
因此,在实际应用中,我们需要综合考虑问题的特点和计算方法的适用性,选择合适的数值计算方法,并进行合理的计算精度控制,以获得准确可靠的结果。
磁流体力学研究及其应用磁流体力学(Magnetohydrodynamics,简称MHD)是一门研究电磁场和流体力学相互作用的学科,其应用涵盖了许多领域。
本文将重点探讨磁流体力学的研究进展及其在能源、航天、环境保护和医疗等方面的应用。
一、磁流体力学的研究进展磁流体力学的研究起源于磁场与流体力学之间的相互作用。
磁流体力学的基本方程是电磁场的马克斯韦方程和流体连续性方程与运动方程的结合。
通过对这些方程的建模和求解,研究者们可以揭示磁场对流体运动和能量传输的影响,进而探索出许多有趣的现象和规律。
在磁流体力学的研究中,最常见的现象是磁阻现象、磁流体力学波动和磁流体力学湍流等。
其中,磁阻现象是指当磁场通过导体或流体时,由于流体的电导率不同于导体,从而引起的能量转化和流体运动的现象。
磁流体力学波动是指在存在磁场时流体中出现的波动,这些波动可以是横波或纵波,具有与传统流体力学中的波动有所不同的性质。
磁流体力学湍流则是指在磁场作用下,由于湍流本身的不稳定性和非线性特性,流体中产生的高速涡旋和湍流结构。
磁流体力学的研究不仅限于理论建模和数值模拟,还包括实验研究和现地观测。
利用实验和观测数据,研究者们可以验证和改进磁流体力学的理论模型,进而推动该领域的发展。
同时,实验和观测数据还可以用于验证和验证磁流体力学模型的应用,促进该领域的实际应用。
二、磁流体力学在能源领域的应用磁流体力学在能源领域的应用主要包括磁约束聚变、磁流体发电和磁流体发动机等。
磁约束聚变是一种利用磁场约束等离子体进行核聚变反应的新能源技术。
磁流体发电则是利用磁流体力学的性质,通过在导体中产生磁阻现象来产生电能。
磁流体发动机则是利用磁流体力学的湍流特性,通过控制电磁场来增加发动机的热效率和功率输出。
三、磁流体力学在航天领域的应用磁流体力学在航天领域的应用主要包括磁流体推进器和磁流体润滑等。
磁流体推进器是一种利用磁流体的流动和相互作用力来进行推进的新型推进系统。
磁约束的应用及物理学原理简介磁约束是一种常见的物理现象,广泛应用于各个领域。
本文将介绍磁约束的应用以及其物理学原理。
磁约束的概念磁约束是通过磁场的作用将物质约束在特定区域内的现象。
通过利用磁场的力,可以控制粒子的运动轨迹,并达到限制粒子移动范围的目的。
磁约束常见于粒子加速器、等离子体物理研究、磁共振成像等领域。
粒子加速器中的磁约束粒子加速器是一种常见的研究物质性质的装置,其中磁约束起着重要的作用。
在粒子加速器中,通过利用强磁场将粒子束限制在加速器的轨道内,可以使粒子束稳定地运动,并实现高能量的加速。
磁约束在粒子加速器中的应用使得科学家能够研究粒子的性质,探索基本粒子的奥秘。
磁约束原理是基于洛仑兹力的作用。
洛仑兹力是当带电粒子在磁场中运动时,磁场对其施加的力。
根据洛仑兹力的方向和大小,可以调整磁场的参数以实现粒子束的稳定运动。
等离子体物理中的磁约束等离子体是由电离气体中的电子和正离子组成的物质。
在等离子体物理中,磁约束被广泛应用于等离子体的控制和研究。
通过利用磁场的力可以限制等离子体的扩散和漂移,从而保持等离子体的稳定性,并控制等离子体的形状和运动。
等离子体在核聚变研究中有着重要的应用。
核聚变是一种将轻元素聚合成重元素的核反应,是太阳能的主要能源产生方式。
在核聚变实验中,磁约束被用来将等离子体限制在磁约束装置中,使等离子体保持高温和高密度状态,以实现核聚变反应的条件。
磁共振成像中的磁约束磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是一种常用的医学成像技术,广泛应用于诊断医学。
在MRI技术中,磁约束被用来操纵被检体内的原子核自旋,从而产生特定的磁共振信号。
通过对这些信号的分析和处理,可以获得被检体的高分辨率影像。
在MRI技术中,磁约束是通过强大的磁场来实现的。
磁场的强度和方向是MRI 成像的重要参数,能够影响成像的质量和清晰度。
通过精确控制磁场的分布和强度,可以实现对被检体内部结构的精确成像。
For pers onal use only in study and research; not for commercial use薄201 I N0.33蚃Science and Tech nob}y hno vatb n Herab芁技术创新螇磁流体动力学效应在当代科技中的应用与发展①羅谢宝陵陈侠賺(陆军军,(J学院安徽合肥230031)肀摘要:磁流体动力学的相关侧I-究是当代迅速发展起来的一项新技术它在外界磁场卜表现出来的独特性能和优点•引起人们的极大兴趣袇和广泛的关注目前•我国和世界上许多国家都在积极地开展这项侧f 究莆本文首先介绍了磁流体的相关概念、原理、基本特性及’常用的制备力一法;分析了该侧f究领域典刑的侧f究力一向和工作机理•并且详细描述袃了它们的结构特点以及优缺点;最后•简单展望了磁流体的发展趋势和应用前景•指出磁流体发展卜存在的问题•并针对这些问题提出了蝿有效的解决力一案和意义羆关键词:磁流体动力学效应(MHD)磁流体密封、热疗、推进器、传感器、发电聚变堆包层薃中图分类号:0361 文献标识:A芁文章编号:1674-098X(201 1)1 1 (C)-0016-03薈1磁流体简介羆磁流体(magnetic fluid)是指由纳米磁微粒、表面话性剂、载液组成的有机统一体磁性液体,这种磁性液体在小加外磁场时羄是可流动的液体,然而在强磁场下,其流变胜质发生急剧变化,又表现出类似固体的力学性质和磁性,响应时间为毫秒量级所以说磁流体是一种对磁场敏感的智能新型液态功能材料它具有超顺磁性、磁光效肃应、磁热效应、磁粘性、流变性等基本特性。
薁磁流体常用的制备力一法包括机械研磨法、共沉淀法、真空蒸发法、等离子法、热分角军法等。
肆2磁流体动力学效应的研究与应用莅磁流体的研究是一门涉及物理、化学、力学、流变学等学科的边缘交义学科。
在航空航天、电子、化工、机械、能源冶金、仪表、环保,医疗等各个领域得到了广泛的研究及应用。
班级02321101 学号1120110436 姓名张鹏杰磁约束原理与运用[摘要]众所周知,以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。
进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。
运用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可控的核聚变,为寻找新能源开辟蹊径。
[关键词]磁约束,等离子体,受控核聚变,能源一、磁约束原理带电粒子在磁场中沿螺线运动,回旋半径R与磁感应强度B成反比。
在很强的磁场中,每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内,只能沿磁感线做种纵向运动。
在热核反应的高温下,物质处于等离子态,有带电粒子组成,而由于上述原因,强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。
在纵向,同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。
带电粒子的圆周运动可被等效视作通电线圈。
设带电粒子的带电量为q,回旋频率为υ,回旋半径为R,则等效线圈中的电流I=q υ,面积S=,磁矩M=IS=qυ2π。
对于在磁场中的回旋运动,可知υ=,R=,于是有:M==理论上可以证明,在梯度不是太大的非均匀磁场中,带电粒子的磁矩M是个不变量。
亦即,当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区时(B增加),它的横向动能要按比例增加。
然而由于洛伦兹力是不做功的,带电粒子的总动能不变,则纵向动能即纵向速度就要减小,甚至为零。
通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。
如右图,两个同向通电线圈产生中间弱两边强的磁场位形,带电粒子在横向受到磁场约束,在纵向则在两线圈中来回反射,从而达到约束的目的。
不过,一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃出。
而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。
这种结构也是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。
磁镜 环形磁约束结构二.磁约束的自然现象与运用(1)范•艾仑辐射带地球磁场两极强、中间弱就是一个天然磁瓶,它使得来自宇宙射线的带电粒子在两磁极间来回振荡从而形成范•艾仑辐射带。
关于磁流体力学流动的一些理论研究1. 磁流体力学流动的基本概念1. 磁流体力学流动的基本概念磁流体力学流动是指一种以磁场为能量载体的流体流动。
在磁流体力学流动中,磁场作用于流体,使其产生磁流体力,从而改变流体的流动状态。
磁流体力学流动可以用磁场矢量和磁流体力矢量来描述。
磁场矢量是指流体中的磁场的方向和强度,而磁流体力矢量是指在磁场作用下,流体受到的力的方向和大小。
磁流体力学流动的基本原理是,当磁场作用于流体时,流体的流动会受到影响,而这种影响可以通过磁场矢量和磁流体力矢量来描述。
2. 磁流体力学流动的基本方程磁流体力学流动的基本方程是一组描述磁流体力学流动的基本方程。
它们是由物理学家和数学家在20世纪50年代开发出来的,它们可以用来描述磁流体力学流动的性质和行为。
这些方程包括磁场方程、磁流体动量方程、磁流体能量方程以及磁流体密度方程。
磁场方程是磁流体力学流动的基本方程之一,它描述了磁场的变化。
它可以用来描述磁流体力学流动中的磁场的变化,并且可以用来求解磁流体力学流动的问题。
它可以用来求解磁场的分布,以及磁场的变化。
磁流体动量方程是磁流体力学流动的基本方程之一,它描述了磁流体动量的变化。
它可以用来描述磁流体力学流动中的磁流体动量的变化,并且可以用来求解磁流体力学流动的问题。
它可以用来求解磁流体动量的分布,以及磁流体动量的变化。
磁流体能量方程是磁流体力学流动的基本方程之一,它描述了磁流体能量的变化。
它可以用来描述磁流体力学流动中的磁流体能量的变化,并且可以用来求解磁流体力学流动的问题。
它可以用来求解磁流体能量的分布,以及磁流体能量的变化。
磁流体密度方程是磁流体力学流动的基本方程之一,它描述了磁流体密度的变化。
它可以用来描述磁流体力学流动中的磁流体密度的变化,并且可以用来求解磁流体力学流动的3. 磁流体力学流动的解析解磁流体力学流动的解析解可以通过利用磁流体动量定律来求解。
磁流体动量定律是一种物理定律,它描述了磁流体在磁场中的运动。
磁流体湍流及数值模拟研究综述磁流体湍流是指在磁场作用下,流体中产生的湍流现象。
它在许多领域中具有重要的应用价值,如磁流体密封、磁流体悬浮等。
为了深入了解磁流体湍流的本质和特性,科学家们进行了大量的研究工作,并运用数值模拟方法对其进行了模拟与分析。
磁流体湍流的研究始于20世纪,当时科学家们对磁流体的行为和特性产生了浓厚的兴趣。
随着计算机技术的发展,数值模拟方法成为研究磁流体湍流的重要手段。
通过建立数学模型和计算流体力学方法,科学家们可以模拟磁流体湍流的动力学过程,并预测其行为。
磁流体湍流的数值模拟研究主要包括两个方面:一是通过数学模型对磁流体的运动方程进行描述,包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
二是通过计算流体力学方法对磁流体的流动行为进行模拟和分析,如有限元法、有限体积法等。
这些方法可以较好地模拟磁流体湍流的动力学过程,并得到相应的数值结果。
在磁流体湍流的数值模拟研究中,有几个重要的问题需要解决。
首先是磁流体湍流的初始条件和边界条件的确定。
这些条件对于数值模拟结果的准确性和可靠性起着至关重要的作用。
其次是数值模拟中的网格划分和离散化方法的选择。
合理的网格划分和离散化方法可以有效地提高计算精度和计算效率。
最后是模拟结果的验证和对比。
通过与实验数据的对比,可以验证数值模拟的准确性和可靠性。
磁流体湍流的数值模拟研究取得了一系列重要的成果。
通过模拟和分析,科学家们揭示了磁流体湍流的一些基本特性,如湍流能谱、湍流统计性质等。
同时,他们还发现了一些新的现象和规律,如磁流体湍流的自激振荡现象等。
这些成果对于深入理解磁流体湍流的本质和特性具有重要的意义。
磁流体湍流的数值模拟研究还存在一些挑战和困难。
一方面,磁流体湍流的数学模型和计算方法仍然存在一定的不确定性和局限性。
另一方面,磁流体湍流的数值模拟需要消耗大量的计算资源和时间,对计算机性能要求较高。
因此,如何提高数值模拟的准确性和计算效率,是当前研究的重要方向之一。
磁流变弹性体磁致力学性能的数值模拟研究赵树勋;游世辉;钱子菡【摘要】磁流变弹性体是一类将磁性敏感颗粒嵌入柔软橡胶基体中制成的新型磁敏高弹性智能材料.基于细观力学RVE(等效体积单元)方法,建立了磁流变弹性体的二维多链RVE,从理论分析和数值模拟两条主线,研究了磁流变弹性体的磁致压缩和磁致剪切力学性能,包括其磁致模量和磁场能量的变化情况,讨论了磁致模量的变化与能量转换之间的关系.通过对多链磁流变弹性体进行磁弹性耦合数值模拟,验证了外磁场的施加使得磁流变弹性体的初始压缩应力减小,剪切模量增大.【期刊名称】《湖南工程学院学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(026)004【总页数】6页(P84-89)【关键词】磁流变弹性体;磁致力学性能;磁弹性耦合;数值模拟【作者】赵树勋;游世辉;钱子菡【作者单位】湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭411105;湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭411105;湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TN303磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomers,简称MREs) 是一类将磁性敏感颗粒嵌入柔软橡胶基体中制成的新型磁敏高弹性智能材料,兼具磁敏材料和弹性体的优点,如响应快、可控能力强、可逆性好等.磁流变弹性体能承受大应变,同时可以表现出磁弹性效应,如磁致应力、变形和有效模量的变化.磁流变弹性体在制备时若无外加磁场,则铁粉颗粒会随机均匀地分散在橡胶基体中,呈现出各向同性的性质.若在外磁场作用下制备磁流变弹性体,则固化后的颗粒会沿磁场线呈链状排列.磁流变弹性体的工作状态一般包括拉伸、压缩和剪切三种,以压缩或剪切为主.在对磁流变弹性体的磁致力学性能的研究方面,Jolly[1] (1996)建立了点偶极子模型,把磁流变效应当作颗粒磁化的函数.Ginder[2](1999)等使用有限元方法和偶极子模型方法计算了mres在不同磁场中准静态剪切应力-应变关系.Y.Shen等人[3](2004)建立了考虑颗粒链的偶极子相互作用及基体材料的非线性性质的MREs磁致模量的模型.朱应顺等人[4](2007)应用有限元方法,计算得到了MREs中磁场的分布、相对磁导率以及磁致剪切模量等参数,但数值模拟中仅研究了单颗粒的磁学参量,并未考虑到磁-力耦合的作用.M.Kallio等人[5](2007)研究了压缩模式下MREs的力学性能,结果表明磁性颗粒有取向的MREs的压缩模量的改变量远大于各向同性的MREs.孙书蕾等人[6](2015) 基于RVE方法对磁敏橡胶的力学行为进行了预测,但研究中并未考虑到颗粒的多链分布情况.表征颗粒成链磁流变弹性体力学性能的理论模型多基于单链偶极子理论.偶极子理论模型作了过多假设,其忽略了颗粒链之间磁场力的相互作用,没有考虑到颗粒网络之间的整体作用,且单链偶极子理论模型无法从整体上定量且较精确地计算磁流变弹性体的力学参数,如磁流变弹性体的磁场能量及磁场力等.若采用数值模拟的方法对磁流变弹性体进行磁弹性耦合,可研究磁流变弹性体在变化过程中的细微观机理,如磁场力的作用效果及磁场能量的变化情况等等.本文首先讨论了磁流变弹性体基体和颗粒的力学及磁学特性;之后从理论角度讨论了单链磁流变弹性体的压缩和剪切模量的计算式;然后建立了多链磁流变弹性体的二维RVE,并通过对RVE施加电磁边界条件,研究了多链磁流变弹性体的磁致压缩和磁致剪切力学性能,讨论了其磁致模量及磁场能量的变化情况,并解释了磁致模量变化与能量转换之间的关系.1.1 磁流变弹性体基体的力学模型磁流变弹性体的基体材料一般选用天然橡胶或硅橡胶.橡胶材料是一种高分子聚合物,具有超弹性及拉伸压缩不同性质的特征.橡胶的超弹性一般用应变能密度函数来表征.本文选用Neo-Hookean模型来描述磁流变弹性体基体橡胶的超弹性.一般假定橡胶为不可压缩材料.Neo-Hookean模型应变能函数表达式为:wN-H=C10(I1-3)式中:C10为材料常数,且有为材料的剪切模量.此处直接定义G=1 MPaNeo-Hookean模型可以较好地预测应变小于20%的平面拉伸和等双轴拉伸,30%~40%的简单拉伸以及80%~90%的纯剪切力学行为的应力-应变行为.因此通过Neo-Hookean应变能密度函数模型,可推导出磁流变弹性体在单轴压缩和纯剪切作用下载荷作用方向上的名义应力-应变关系.1.2 铁粉颗粒的力学及磁学特性磁流变弹性体的填充材料多选用球形羟基铁粉颗粒.羟基铁粉是一种常见的弹塑性材料,也是一种铁磁质软磁材料.羟基铁粉受力后一般只发生较小的弹性变形,因此本文将磁流变弹性体的铁粉颗粒视作线弹性材料,其力学参数可通过直接定义获得.此处定义羟基铁粉的杨氏模量为E=225 GPa,泊松比ν=0.35,密度ρ=7800 kg/m3,相对磁导率为μr=5000.2.1 磁场力及磁场能量的计算磁流变弹性体的固化过程以及工作过程中都伴随着磁场力的作用.铁粉颗粒受到磁场的作用力即是一种磁场力.磁流变弹性体受到的磁场力可通过对铁磁性颗粒的边界施加Maxwell电磁应力张量来求解.电磁场的Maxwell应力张量可由下式给出:Tm=BH-PemI式中:B为磁感应强度,H为磁场强度,I为三阶单位矩阵代表磁压力.对磁性材料的边界施加Maxwell电磁应力张量后,通过积分即可求得磁性材料受到的外部磁场的磁场力,然后便可以求出磁流变弹性体的整体受力情况了.工作中的磁流变弹性体能量的变化主要包括储存在橡胶中的弹性势能以及磁性材料中的磁能变化.磁场的能量即是指磁场的磁势能.当磁性介质受到磁场的作用时,介质将会被磁化而产生磁势能.磁势能在宏观上主要包括静磁能.假设一线性、均匀且各向同性可磁化材料,其材料内部和表面上均无电流,则放置于匀强磁场中的磁性材料磁畴区域上的静磁能可表示为:WH=-μ0MHcosθ式中:M为磁化强度,WH为磁介质被外磁场磁化时的磁场能量密度函数.其中θ为磁偶极矩与磁场强度的夹角,θ∈[0°,180°].2.2 磁致模量的计算磁流变弹性体的磁致力学性能主要研究其在磁场中磁致杨氏模量的变化.表征磁流变弹性体的磁致力学性能的模型多基于单链的偶极子模型.现基于偶极子理论计算磁流变弹性体的磁致压缩模量与磁致剪切模量的计算式.对于磁流变弹性体的单链模型,磁场引起的力的变化与压缩应变的关系可表示为[7]:式中:μ0为真空磁导率,μ1为基体的相对磁导率,R为颗粒半径,ε为沿磁场方向的线应变.对于橡胶基体来说,μ1≈1.同时将上式对ε求偏导,即可求得磁流变弹性体的磁致压缩模量,表示为:基于Jolly的磁偶极子理论模型[1],当剪切应变ε﹤0.1时,可得到磁流变弹性体磁致剪切模量的计算公式为:式中定义为链上相邻两颗粒的中心距,μr为颗粒的相对磁导率,Js为饱和磁极化强度.从以上两式可以看出,磁场诱导产生的弹性模量和剪切模量都为正值,因而根据理论可知磁场将使得磁流变弹性体的压缩模量和剪切模量增大.2.3 磁流变弹性体电磁场的边界条件电磁场的边界条件是指磁介质分界面两侧场量与分界面上电流的制约关系.磁介质的边界条件应满足的关系有:(1)磁感应强度B的法向分量连续,可表示为其中B1n和分别表示分界面上B1和B2的两个法向分量.该式说明在两种磁介质的交界面处,磁感应强度的法向分量是连续的.(2)磁场强度H的切向分量连续,可表示为H1t=H2t式中H1t和H2 t分别表示分界面上H1和H2的切向分量.该式说明,在两种磁介质的交界面处,磁场强度的切向分量是连续的.下文基于RVE方法对磁流变弹性体的磁致力学性能进行磁-弹耦合数值模拟的时候,铁磁颗粒为单一材料,且颗粒之间互不接触,因而磁场边界条件是自然满足的.而位于RVE边界处被截开的颗粒,在软件中则可通过对其边界施加Maxwell应力张量来满足边界条件.本节使用COMSOL Multiphysics对颗粒成链磁流变弹性体进行磁-弹性耦合数值模拟.建立的多链磁流变弹性体的二维RVE相关参数见表1.未列出的参数包括,链上颗粒衷心距为5.5,颗粒链间距为10.磁流变弹性体二维RVE及边界条件示意图如图1所示,磁感应强度平行于颗粒链方向,大小分别为0、0.5、1、1.5 Tesla.图2~图3为磁流变弹性体磁致压缩和磁致剪切相关云图.从图2可以看出,应力在铁磁颗粒上及颗粒链之间较为集中,形成一条条明显的“应力链”.从图4可以看出应力在上下两边的个别颗粒处较为集中.从图3和图5可以看出,磁流变弹性体与空气接触处的颗粒边缘的磁感应强度较大,其次在颗粒边缘处较大,垂直于磁感线的基体区域上磁感应强度最小.从图3可以看出,磁流变弹性体受压变形后,磁感线平行颗粒链通过磁流变弹性体内部时发生了弯曲,在颗粒链之间形成“波浪”.而图5中的磁感线通过磁流变弹性体内部时仅发生了倾斜,较为平缓.图6~图7为多链磁流变弹性体磁致压缩及剪切应力-应变曲线.从图6可以看出,在压缩作用下,材料的磁致压缩应力-应变曲线随磁感应强度的增大,初始应力减小为负值.这说明磁场的施加使得磁流变弹性体受到与磁场反向的作用力,且磁场强度越大,该作用力越大.从图7可以看出,在剪切作用下,颗粒成链磁流变弹性体磁致剪切应力-应变曲线随磁感应强度的增大,曲线的斜率增大.由于应力-应变的曲线斜率即是该点处的弹性模量,因此可以说明施加磁场后磁流变弹性体的剪切模量增大,且磁场强度越大,曲线斜率越大,因而磁致剪切模量越大.图8~图9为多链磁流变弹性体磁致压缩及磁致剪切磁能-应变曲线.从图8和图9可以看出,压缩和剪切的总磁能曲线都是随着磁感应强度的增大而增大,随着应变的增大,总磁能略微减小.同时颗粒体积分数大的曲线磁能更高,而与应变的关系不大.从图9可以看出,剪切的总磁能曲线是随着磁感应强度的增大而增大;随着应变的增大,总磁能几乎不变.对以上现象可通过以下解释来说明.磁流变弹性体磁致模量与零磁场时的等效模量的不同实际上是由磁场能量和基体应变能的相互转换引起的.铁磁性颗粒被外磁场磁化后,颗粒之间将产生磁力,并相互吸引.这种颗粒之间的磁力可称作“预应力”.由于预应力的存在,磁流变弹性体的基体将沿磁场方向产生微小的压缩.这种预应力的存在增加了材料的可靠性.对磁流变弹性体施加磁场后,在剪切变形过程中,排列成链的铁磁性颗粒之间的距离增大,导致引起相互吸引的磁力减少.为了恢复平衡状态,预应力产生的储存在橡胶基体里的应变能将释放.从宏观上看,此时材料的应变值将大于基体在相同载荷下的值,所以磁流变弹性体整体的初始磁模量呈增大的趋势.而在压缩过程中,颗粒之间的距离减小,颗粒之间的相互吸引力增大,此时材料的应力值将小于相同应变下的值,因此表现出初始应力小于零的现象.随着应变的增大,磁场的部分能量转化为橡胶中的应变能,因而磁场能量减小.而颗粒体积分数大的磁流变弹性体,磁能在颗粒中存储的较多,同时转化为基体应变能的磁能也较多,因而磁场总能量会减少.本文基于细观力学RVE方法,建立了颗粒成链磁流变弹性体的二维多链RVE,从理论分析和数值模拟两条通道,研究了磁流变弹性体的磁致压缩和磁致剪切力学性能,得出了如下结论:(1) 颗粒成链磁流变弹性体在压缩作用下,初始应力较小.在剪切作用下,材料的磁致剪切模量增大.这是由于磁场能量和基体应变能量的相互转换引起的.(2) 颗粒成链磁流变弹性体在压缩作用下,总磁能随着磁感应强度的增大而增大;随着应变的增大,总磁能略微减小.剪切的总磁能曲线是随着磁感应强度的增大而增大;随着应变的增大,总磁能几乎不变.同时颗粒体积分数大的磁流变弹性体磁场能量较小,反之亦然.(3) 本文未能考虑铁磁颗粒磁化过程的非线性和颗粒的磁饱和等因素的影响.下一步工作将考虑这两个因素的作用,同时研究磁场的方向性对磁流变弹性体力学性能的影响.通迅作者:游世辉(1962-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向:工程力学与计算.。
磁流体力学磁流体力学是一门研究物质流体的流动特性的学科,着重研究的是流体物理学、声学和磁学等物理学方面的物理过程。
它是发展自连续介质力学的一种新的复杂的物理分支,它用来研究空间中的液体及气体的磁性和流动特性。
磁流体力学由于可以从在流体运动中产生磁学力而受到研究者的关注。
磁流体力学是一种复杂的物理学分支,它可以描述和解释流体物理学过程中磁学力的作用。
它综合利用流体力学、热力学、磁学和声学等物理过程解释流体运动中磁学力在流体中产生的物理过程。
磁流体力学的最全面发展归功于德国数学家弗罗里德丁特沃尔(Franz Otto Dütsch)。
他从物理学的角度来研究磁流体的物理过程,建立了一种全新的数学模型,这个模型也成为了磁流体力学的基石。
后来,普朗克数学家阿尔弗雷德亨利瓦赫也采用了这种数学模型,进一步完善和发展了磁流体力学这门学科。
磁流体力学可以应用于不同的物理领域,尤其是它相对简单的常微分方程的解决,使它应用于气象学领域。
实际上,磁流体力学已经成为气象学领域的一个重要部分,它常常被用于研究大气的层析和湍流的形成。
而且,磁流体力学的原理也被用来研究化学反应和气体爆炸等其他物理过程。
此外,磁流体力学原理还可以被应用于空间科学,它可以用来研究太阳辐射和大气外部环境,同时也可以用来描述一些基于磁学的空间运动现象,例如地磁异常的形成等。
另外,磁流体力学也可以用于解释一些物理学家最为关心的磁性反应,它们在某些特殊情况下可能会影响到空间状态和大气环境。
磁流体力学是一种很重要的分支物理学,它重点研究的是涉及到磁学力的流体物理过程,它可以用来研究气象、化学与空间科学等领域。
它也是发展自连续介质力学的一种新的复杂物理分支,它可以描述和解释流体物理学过程中磁学力的作用。
通过综合利用流体力学及热力学、磁学和声学等物理过程,磁流体力学可以解释流动物质中磁学力在流体中产生的物理过程。
磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究作者:尹岚饶益花来源:《科技资讯》2014年第22期摘要:新科技革命的到来,现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源,这些能源非常有限,一旦耗尽,世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。
近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩,该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。
本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念,分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别,重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。
关键词:磁约束核聚变磁流体力学关键能量转换部件中图分类号:O361.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)08(a)-0001-01当今世界,无论是工业生产还是日常生活,所用到的能源绝大部分是来源于不可再生的化石燃料资源,这些不可再生的资源非常有限,现今许多国家正面临严峻的能源短缺问题。
因此,核聚变能的运用在解决能源危机问题方面意义重大。
磁约束核聚变作为可控核聚变的种类之一,在克服核聚变反应物的缺陷时又能够保证散发出强大的能源供应,目前世界各国相继投入了对磁约束核聚变的研究,陆续建立了不同磁场位置和形体的实验装置,重点研究磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学。
1 磁约束核聚变概念分析磁约束核聚变是一种结合磁场引力和高热等离子体能量来实现核聚变反应的高科技,这个步骤的具体做法是,首先对已知燃料进行加热处理,让燃料变成等离子体形态,然后利用磁场引力的作用,抑制住高热等离子中的带电粒子,让带电粒子呈现螺旋状线性运动,最后对等离子体进行再次高温加热,直到发生核聚变反应。
2 磁约束聚变与装置类别分析在20世纪六七十年代,磁约束等离子燃烧核聚变研究已经经过了多次尝试和研究,依然取得了许多突破性的进展,世界各国相继创建了许多种功能各异、花样繁多的用于实现磁约束等离子燃烧核聚变反应的科学实验装置,主要有托卡马克、多极场、仿星器、磁场镜等不同磁场位形的装置。
材料的磁性力学性能研究与应用材料的磁性力学性能是指材料在受到外部磁场作用时所表现出的变形行为。
磁性力学性能的研究对于材料科学与工程领域具有重要意义,可以为新材料的设计与制备提供理论依据,并为现代电子器件、能源转换设备等领域的发展提供技术支持。
本文将探讨材料磁性力学性能的研究方法以及其应用领域。
一、磁性力学性能的研究方法1. 磁弹性力学测量技术磁弹性力学测量技术是一种通过对材料施加恒定磁场并测量其应变响应来研究磁性力学性能的方法。
该技术可以通过应变计、压力计等仪器测量材料在不同磁场下的应变情况,从而获得磁弹性力学行为曲线。
通过分析曲线可以得到材料的磁特性参数,如磁滞回线、居里温度等,进而研究材料的磁性力学性能。
2. 磁力显微镜观察技术磁力显微镜观察技术是一种利用磁力显微镜对材料的磁力学性能进行研究的方法。
该技术通过观察材料在不同磁场下的磁域结构变化,以及磁域壁的运动和形变等现象,来研究材料的磁性力学性能。
通过磁力显微镜观察可以得到材料的磁畴大小、磁畴壁能量以及磁迹等信息,进一步了解材料的磁性力学特性。
二、磁性力学性能的应用1. 磁性材料研究与制备磁性力学性能的研究可以为新型磁性材料的设计与制备提供理论依据。
通过研究材料的磁性力学性能,可以探索磁性材料的微观结构与宏观性能之间的关系,进而优化材料的磁性能。
例如,对于软磁材料的研究,可以通过调控磁畴结构和磁畴壁能量等参数来提高材料的软磁性能,满足不同领域对磁性材料的需求。
2. 电磁设备与器件磁性力学性能对于电磁设备与器件的设计与应用有着重要作用。
例如,对于电子器件中的磁体结构设计,需要考虑材料的磁弹性特性以及耦合磁化等因素,以提高器件的性能和效能。
同时,磁性力学性能的研究可以为电磁设备的故障分析与预测提供依据,提高设备的可靠性和使用寿命。
3. 能源转换与储存磁性力学性能的研究对于能源转换与储存设备的性能提升和效率改进具有重要意义。
例如,对于磁致冷制冷设备,研究材料的磁性力学性能可以优化制冷剂的选择以及制冷系统的结构设计,提高制冷效果和能源利用率。
磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用
(2018年7月16日-17日)
倪明玖研究员
中国科学院大学
本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学问题的有限体积法,主要围绕磁约束聚变反应堆关键部件研发,介绍液态金属磁流体力学的计算方法及应用。
课程内容主要包括:
- 磁约束聚变反应堆关键部件研发涉及的液态金属磁流体力学的研究背景
- 不可压流体的Navier-Stokes方程,介绍投影法及源项的处理方法
- 磁流体力学的一种精确计算方法-相容守恒格式
- 自由界面MHD,固体颗粒两相流MHD,湍流MHD,介绍其基本算法及具体应用。
授课老师简介
倪明玖,1997年获西安交通大学博士学位,1999-2001年为日本京都大学JSPS(日本学术振兴会)博士后,2001-2007年在美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)从事磁约束聚变相关的磁流体力学研究,2007年起为中国科学院大学教授。
曾获国家杰出青金科学基金和中国科学院“百人计划”支持,为磁约束聚变能专项项目首席,基金委重点基金项目负责人。
研究方向:磁流体力学、计算流体力学、多相流传热、核聚变工程技术。
不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法
(2018年7月18日-21日)
郑伟英研究员
中国科学院数学与系统科学研究院
本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法及高效求解算法,重点关注有限元方法的守恒型和求解算法的最优性。
课程内容主要包括:
- Stokes 方程和不可压 Navier-Stokes 方程的有限元方法;
- 无感应磁流体方程组的电荷守恒型有限元方法;
- 完整磁流体方程组的质量、磁通守恒有限元方法;
- 基于算子预处理,设计离散问题的高效求解算法。
授课老师简介
郑伟英,研究员,1996年和1999年于郑州大学分别获数学学士、硕士学位;2002年于北京大学获计算数学博士学位,2002.7-2004.6年为中科院数学与系统科学研究院博士后;2006.11—2007.12为德国慕尼黑科技大学(TUM)洪堡基金访问学者;2004年6月以来在中科院数学与系统科学研究院工作至今;现任研究员,“科学与工程计算国家重点实验室”副主任;2017年获国家杰出青年科学基金资助。
主要从事复杂介质电磁场问题、不可压磁流体问题的算法研究与并行程序研制,曾在大型变压器的可计算建模、分层介质电磁散射问题的完美匹配层方法、三维磁流体的守恒型有限元方法等方向取得重要进展。
DG方法与理想磁流体模拟
(2018年7月23日-28日)
李凤艳教授
Rensselaer Polytechnic Institute
本系列课程主要围绕求解理想磁流体动力学方程的高精度数值方法,尤其
是间断Galerkin (DG) 方法。
课程的内容包括:
- (Central) DG 方法及其在双曲守恒律中的应用
- 保持强稳定性的 Runge-Kutta 方法
- 保持无散度和正性等约束条件的处理技术
- 多尺度问题中的渐近保持格式(如果时间允许)
授课老师简介
李凤艳,1997年和2000年分别获北京大学计算数学学士和硕士学位,2004年获美国布朗大学应用数学博士学位,之后在美国南卡莱罗纳大学任博士后。
2006年加入Rensselaer Polytechnic Institute应用数学科学系,现任教授。
主要从事高精度格式尤其是间断Galerkin方法的设计,分析和计算的研究,以及它们在电磁学(包括非线性光学),计算流体学(包括磁流体动力学),粒子物理学,多尺度问题等中的应用。
于2008年当选为Alfred P. Sloan Research Fellow, 2009年获美国 NSF-CAREER 奖。
现任 SIAM Journal on Scientific Computing, Applied Mathematics and Mechanics (English Edition) 编委。