MS056 磁流体力学 - 中国力学学会

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magnetohydrodynamics磁流体力学magnetohydrodynamics结合流体力学和电动力学的方法研究导电流体和电磁场相互作用的学科。

导电流体在电磁场里运动时，流体中就会产生电流。

此电流与磁场相互作用，产生洛伦兹力，从而改变流体的运动，同时此电流又导致电磁场的改变。

对这类问题进行理论探讨，必须既考虑其力学效应，又考虑其电磁效应。

磁流体力学包括磁流体静力学和磁流体动力学。

磁流体静力学研究导电流体在电磁力作用下的静平衡问题，如太阳黑子理论、受控热核聚变的磁约束机制等。

磁流体动力学研究导电流体与电磁场相互作用时的运动规律，如各种磁流体动力学流动和磁流体动力学波等。

等离子体和液态金属都是导电流体。

前者包括99%以上的宇宙物质，后者包括核动力装置中的携热介质（如钠、钾、钠钾合金）、化学工业中的置换剂（如钠、钾、汞）、冶金铸造工业中的熔融金属等。

地球表面一般不存在自然等离子体，但可因核辐射、气体放电、燃烧、电磁激波、激光等方法产生人工等离子体。

因此，磁流体力学不仅与等离子体物理学有联系，还在天体物理研究（如磁场对日冕、黑子、耀斑的影响）、受控热核聚变和工业新技术（如电磁泵、电弧加热器、磁流体发电、电磁输送、电磁推进等）中得到发展和应用。

基础磁流体力学以流体力学和电动力学为基础﹐把流场方程和电磁场方程联立起来﹐引进了许多新的特徵过程﹐因而内容十分丰富。

宇宙磁流体力学更有其特色。

首先﹐它所研究的对象的特徵长度一般来说是非常大的﹐因而电感的作用远远大于电阻的作用。

其次﹐其有效时间非常久﹐所以由电磁原因引起的某些作用力纵然不大﹐却能产生重大效应。

磁流体力学大体上可以和流体力学平行地进行研究﹐但因磁场的存在也具有自己的特点﹕在磁流体静力学中的平衡方程﹐和流体静力学相比﹐增加了磁应力部分﹐这就是产旁际母荨T硕г诖帕魈辶ρе杏兄煌暮濠o它研究磁场的“运动”﹐即在介质流动下磁场的演变。

与正压流体中的涡旋相似﹐磁场的变化也是由对流和扩散两种作用引起的。

第三章 磁流体力学方程（MHD ）§3.1引言由上一章的讨论可以看出，等离子体动力学理论是在位形及速度空间中讨论带电粒子的分布函数随时间的演化规律。

由于动力学方程是一个非线性的积分微分方程，数学处理较复杂，在一般情况下很难求解。

实际上，我们可以把等离子体看成为是一种电磁流体，它的宏观状态可以用密度、流速、温度等状态变量及电磁场来描述。

这些状态参量及电磁场是在三维位形空间中随时间演 化的。

建立电磁流体状态参置随时间的演化方程称为磁流体力学（Magnetohydrodynamics-MHD ）。

与动力学理论相比，磁流体力学在数学处理上简单的多，而且等离子体中的许多过程，如等离子体的宏观平衡与稳定，波动过程均可以用MHD 理论来描述。

但对于等离子体中的另外一些现象，如Landau 阻尼、速度空间中的不稳定性等则MHD 理论却无能力描述。

下面我们从动力学方程出发，建立MHD 方程。

§3.2二份量MHD 方程设等离子体是由电子成份和一种离子成份组成的二份量电磁流体。

首先我们引入二份量磁流体的宏观状态变量，我们知道，对于一个多粒子系统，其宏观变量是对应的微观变量的统计平均值。

这样，第α类成份流体的密度(,) n r t α、流速火(,)ru t α及温度(,)r T t α的定义为：(,)(,,)r v r v n t d f t αα=⎰ （3-1）(,)(,)(,,)r r vv r v n t u t d f t ααα=⎰ （3-2） 231(,)(,)()(,,)22r r v v r v B k n t T t d m u f t αααα=-⎰ 下面我们利用上章给出的等离子体运动学方程来建立MHD 方程。

动力学方程可以写成：[()](,,)(,,)v v v r v r v q E B f t I t t m αααα∂+⋅∇++⨯⋅∇=∂ (3-3) 首先定义等离子体矩方程：将（3-3）两边乘以()v g 并对v 积分，（1） ()()v v v v f g d g fd g t t t∂∂∂==<>∂∂∂⎰⎰ （2） ()()v v v v v v v g f d g fd g ⋅∇=∇⋅=∇⋅<>⎰⎰（3） ()()()[]()v v v v v v v v v v vq f qE f g E d g d m m qE g f d m qE g m ∂∂⋅=⋅∂∂∂=⋅-∂∂=-⋅<>∂⎰⎰⎰ 其中用到了分部积分和()v f 在v →±∞时为零的条件。

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。

磁流体的制备及应用
韩调整;黄英;黄海舰
【期刊名称】《材料开发与应用》
【年(卷),期】2012()4
【摘要】磁流体是具有广阔应用前景的功能液体。

本文阐述了磁流体的主要制备方法,讨论了表征其性能的主要参数,着重介绍了磁流体在工程领域、生物医药、物质分选以及环境治理等方面的应用,展望了今后磁流体的研究与发展方向。

【总页数】7页(P86-91)
【关键词】磁流体;磁性液体;性能参数
【作者】韩调整;黄英;黄海舰
【作者单位】西北工业大学理学院应用化学系
【正文语种】中文
【中图分类】TB381
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刘勇健;庄虹
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纳米磁流体
牟蔚
【期刊名称】《《中国涂料》》
【年(卷),期】2010(000)003
【摘要】磁流体（Magnetic Liquid）是由具有铁磁性的超细固体微粒（直径为几～十几纳米）高度弥散在基液中而构成的稳定的胶体溶液。

磁流体一般包含3个组分：①铁磁性纳米级颗粒；
【总页数】1页(PI0027)
【作者】牟蔚
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TQ637.3
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磁流体动力学磁流体动力学是一门研究物理流体动力学和磁场相互作用的学科。

它是介于物理流体动力学、磁场力学和电磁学之间的学科，涉及到流体的普朗克方程、磁势和磁压等物理量的变化规律。

它不仅与物理流体动力学、磁场力学和电磁学的理论依据有着密切的联系，而且还与天文学、地球物理学、工程、科学和技术等领域有着广泛的应用。

磁流体动力学是一门复杂的学科，它涉及到很多种涉及流体动力学和磁场相互作用的物理量，其中包括场强、电荷密度、磁感应强度、能量密度等等，并且它还可以用于分析磁流体体系中的普朗克方程、磁势、磁压、温度、偏角强度等变化规律。

这种学科的研究可以让我们更好地理解磁流体体系的动力学特性及其对宇宙结构格局的影响。

磁流体动力学是一种十分重要的学科，在天体物理学、宇宙学和空间物理等学科中占据着重要地位。

它有助于研究宇宙中各种恒星的形成、大气层的化学结构、与太阳系相关的天体等等，并为它们的运行提供了重要的磁力学分析。

此外，磁流体动力学的应用还可以用于分析太空探索所需要的技术，如发动机、推进器、控制系统等。

磁流体动力学的发展也促进了现代工程技术的进步，如流体力学、热力学和磁学等。

它们可以用于分析抽水机、水泵、真空抽气机等多种设备运行时的流体磁流体动力学特性，以及磁场对这些设备的影响，从而提高机器性能。

此外，磁流体动力学也被应用到计算机中，它可以用来模拟磁场分布情况，并估计磁流体在环境中的运动轨迹。

从上述可以看出，磁流体动力学一直是一个重要的学科，它的研究及应用历来受到广泛的重视。

目前，磁流体动力学的研究已成为各国科学家的研究热点，并取得了很多实际成果。

随着研究的深入，磁流体动力学肯定会在天体物理学、宇宙学和空间物理学等领域发挥更大的作用，为我们探索宇宙提供新的见解。

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。

磁流体技术的应用与发展
王瑞金
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2001(000)010
【摘要】简要介绍了目前国内外磁性流体的类型、性能、组成和制作方法,并对各种磁流体应用技术的原理和特点作了较为具体的论述,最后介绍了磁流体及其应用技术的研究状况和发展动向.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】王瑞金
【作者单位】杭州应用工程技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】O361
【相关文献】
1.磁流体动力学角速率传感技术发展现状 [J], 周海佳;李得天
2.磁流体密封技术的发展及应用综述 [J], 温利;周仁魁;罗长洲
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磁流体力学学科简介【转自工程流体网：0】磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法，研究导电流体和磁场相互作用的学科，它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。

磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题；磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。

磁流体力学通常指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。

导电流体有等离子体和液态金属等。

等离子体是电中性电离气体，含有足够多的自由带电粒子，所以它的动力学行为受电磁力支配。

宇宙中的物质几乎全都是等离子体，但对地球来说，除大气上层的电离层和辐射带是等离子体外，地球表面附近(除闪电和极光外)一般不存在自然等离子体，但可通过气体放电、燃烧、电磁激波管、相对论电子束和激光等方法产生人工等离子体。

能应用磁流体力学处理的等离子体温度范围颇宽，从磁流体发电的几千度到受控热核反应的几亿度量级(还没有包括固体等离子体)。

因此，磁流体力学同物理学的许多分支以及核能、化学、冶金、航天等技术科学都有联系。

磁流体力学发展简史1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。

他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。

1937年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法。

1940～1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波(即阿尔文波)和太阳黑子理论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。

1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。

受控热核反应中的磁约束，就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。

然而，磁约束不易稳定，所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。