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1、题目：浅谈磁流体推进器院系：理学院物理系2017 年 6 月 14 日1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
2、究和突破。关键词：磁流体推进器，推进力，潜艇，超导磁体.、 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
3、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。2、 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
4、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。、 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
5、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=qvB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：（1）= d其中 V 为积分的体积，J 为电 流密度，B 为磁感应强度。32. 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
6、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 。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
7、阻： （2）=abl4通过该“电阻 ”的电流大小 为： （3）=电流密度： （4）=bl电导率：=1/ （5）由（1）（2）（3）（4）（5）式可得： （6）= d=bl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，k0；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 = ku2 （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
8、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。、 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5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。环形磁流体推进器可以分为单环和多环，
9、单环磁流体推进器的磁体还可以分为跑道型和工字型两类。跑道型磁体漏磁比较大，磁能利用率偏低，而工字型磁体由于 结构不同，漏磁较跑道型要小，磁能利用率高。 平板型磁流体推进器按磁体和电极的布局可以分为竖板和卧板两类。竖板磁流体推进器由于地磁场的影响会产生不平衡的推力，而卧板磁流体推进器由于磁体卧置，其磁场轴线与地磁场轴线垂直，消除了地磁 场的影响。、 磁流体推进器优点相比机械传动类推进器，船舶采用磁流体推进后，具有以下特点：1. 振动和噪声小。磁流体推进取消了螺旋桨推进使用的螺旋桨、轴系的减速齿轮。消除了由这些转动机构引起的振动和噪声，其辐射噪声也比螺旋桨推进器小，使得船舶几乎在安静的状念下航行。
10、2. 高效。磁流体推进器是一个静止设备，它既克服了转动机械的功率限制，也克服了螺旋 桨高速转动形成的空泡，因而可以大大提高设备的功率。3. 布置方便。磁流体推进器装置中各部件，如 发电机、推 进器、辅助及控制等设备之间没有刚性连接，它可以集中或分散安装在舱室内任何一个位置，布置方便，可以根据需要将推 进器安装在船舶的任何位置。4. 操纵性好。磁流体推进易于实现由驾驶人员在驾驶室中通过控制推进器的输入电压或电流对船舶进行操纵，通常通过调节电压(电流)的大小来控制船舶的推力及速度；通过改变电压的极性，即电流的方向，来操纵船舶的运行方向。、 （超导）磁流体推进器实际应用大和 1 号：6图 2 “大和
11、 1 号”实验船外观图世界上第一艘应用超导磁流体技术的船诞生在日本,这艘命名为“大和 1 号” 的实验船长 30 米， 宽 18 米，高 8 米，自重 280 吨，排水量 185 吨，航速每小时 15 千米。 “大和一号”的推进系统装有电磁铁，装在 该船浮筒的水筒前部。图 3 超导磁流体推进器外观7图 4 有 6 个直管的超导磁流体推进器海水流入水筒，带电的电极便在水中产生电流。 这些磁铁产生的磁场同这一电流相互作用，产 生的电磁力把水从水筒的末端作为高速水流喷出。“大和 1 号”试验船推进器直管中磁通密度 为 4T，电流约 2000A，由两台柴油发电机供电，航速 8 节。由于海水加热，电解等
12、引起能量损耗，大和 1 号的总效率较低，约 4%。、 （超导）磁流体推进的当前问题与展望1. 磁流体推进的发展面临的一些问题：由于海水中导电离子是少数，电阻较高，海水与通 电电极发生电解反应产生气泡和电极腐蚀。 电解产生的次氯酸 钠会污染环境，影响海藻、 贝类等海洋生物的生长。对于推进器，气泡会增大海水电阻，特别 是极板上的蒸汽层，大 电 流通过海水产生热量很大， 损失很大的能量。提高海水电导率可以有效降低电阻，从而提高效率，在海水中添加溶液增加海水 电导率，例如加入硫酸，但会增加许多成本。在船舶等单位上使用磁流体推进器需要超导线圈，否则无法制造大强度磁场。普通线圈磁感应强度超过 0.5T 即
13、将饱和。为产生足够的推力，励磁线圈和铁芯的体积将大得无法应用；此外，海水的电阻很大，没有足够强的磁感应强 度，就意味着要有很大 电流在海水中流过，电热 效应非常惊人，总的推进效率低于百分之十。82. 展望超导磁流体推进器：超导低温技术的突破，导致了超导磁流体推进技术的发展。超导磁流体推进可以取消螺旋桨， 齿轮箱和轴系等传动 部件，将 为发展安静性大功率船舶奠定基础，使 传统的造船行业大为改观。这种变革可与航空采用喷气式推进器取代螺旋桨推进的根本性变革相比拟。作为一项综合性很强的高新技术，超导磁流体推进面临众多发展困难，如高磁感应强度的超导磁体及屏蔽技术，高性能磁流体通道等。但可以预料，随着关 键技术的逐个突破，超导磁流体推进技术必将有较大发展。9参考资料：1. 陈颖 .船舶磁流体推 进 技 术 的 实际应 用 R.上海：海 军驻 上海 711 所 军 事代表室， 2011：1-1.2. 百度百科 “磁流体推 进 器 ”EB/OL.引用日期 2017-6-103. 百度百科 “磁流体 ”EB/OL.引用日期 2017-6-104. 娄 树 旗 .磁流体推 进 的研究 D. 2009： 1-35. 尹真 尹群 .船舶磁流体推 进 技 术 研究 J.造船技 术 ,2002 年第 1 期： 1-2.
