磁流體動力學效應在當代科技中的應用與發(fā)展

摘 要:磁流體動力學的相關研究是當代迅速發(fā)展起來的一項新技術，它在外界磁場下表現(xiàn)出來的獨特性能和優(yōu)點，引起人們的極大興趣和廣泛的關注。目前，我國和世界上許多國家都在積極地開展這項研究。

本文首先介紹了磁流體的相關概念、原理、基本特性及常用的制備方法;分析了該研究領域典型的研究方向和工作機理，并且詳細描述了它們的結構特點以及優(yōu)缺點;最后，簡單展望了磁流體的發(fā)展趨勢和應用前景，指出磁流體發(fā)展中存在的問題，并針對這些問題提出了有效的解決方案和意義。

關鍵詞:磁流體動力學效應(MHD) 磁流體密封、熱療、推進器、傳感器、發(fā)電 聚變堆包層

中圖分類號:O361文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(C)-0016-03

1 磁流體簡介

磁流體(magnetic fluid)是指由納米磁微粒、表面活性劑、載液組成的有機統(tǒng)一體磁性液體，這種磁性液體在不加外磁場時是可流動的液體，然而在強磁場下，其流變性質(zhì)發(fā)生急劇變化，又表現(xiàn)出類似固體的力學性質(zhì)和磁性，響應時間為毫秒量級。所以說磁流體是一種對磁場敏感的智能新型液態(tài)功能材料。它具有超順磁性、磁光效應、磁熱效應、磁粘性、流變性等基本特性。

磁流體常用的制備方法包括機械研磨法、共沉淀法、真空蒸發(fā)法、等離子法、熱分解法等。

2 磁流體動力學效應的研究與應用

磁流體的研究是一門涉及物理、化學、力學、流變學等學科的邊緣交叉學科。在航空航天、電子、化工、機械、能源冶金、儀表、環(huán)保、醫(yī)療等各個領域得到了廣泛的研究及應用。

2.1 磁流體密封

磁流體密封是利用永久磁鐵在轉軸和極齒間的密封間隙內(nèi)產(chǎn)生強磁場，將磁性流體固定在密封間隙內(nèi)，形成液體“O”形密封環(huán)，磁場力和外界壓差相平衡而實現(xiàn)介質(zhì)密封。磁流體密封是近年來迅速發(fā)展起來的一項新技術，具有:(1)嚴密的密封性;(2)不可測量的泄漏率;(3)長壽命;(4)可靠性高;(5)沒有污染;(6)能承受高轉速;(7)最佳的扭矩傳遞;(8)低的粘性摩擦;(9)磁性流體密封即使在中斷運行時，也不像彈性密封在停機期間，受增塑和馳豫的影響等優(yōu)點。可以在高速下運行，尤其在旋轉軸密封中具有獨特的優(yōu)越性。

20世紀60年代中期，美國首先成功用于解決宇航服可動部分的真空密封以及在失重狀態(tài)下宇宙飛船液體燃料的固定問題。在國內(nèi)，磁流體密封技術主要用在真空、防塵的氣體動密封中，動態(tài)密封是最早開發(fā)和應用的磁流體應用技術，已廣泛應用于機械等設備的密封，其應用領域包括半導體加工、光學纖維、激光器、x射線裝置、熱處理設備、硅單晶多晶爐和航空電子技術等，磁流體密封技術的廣泛應用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，獲得了很好的經(jīng)濟效益(圖1)。

2.2 磁流體熱療

磁流體熱療是利用交變磁場下磁流體可將磁能轉化為熱能這一特性而發(fā)展起來的一種新型的熱療手段。熱療作為一種輔助治療腫瘤的方法早已得到臨床應用，它是利用各種物理手段將腫瘤組織溫度升至43℃以上，并維持一段時間，依靠腫瘤細胞對熱的敏感性，加速癌細胞死亡。

與傳統(tǒng)的熱療技術相比，磁感應熱療技術具有可治療深層腫瘤、靶向性高、副作用小、微創(chuàng)甚至無創(chuàng)的特點;且磁感應介質(zhì)一經(jīng)植入腫瘤部位，可以對病人進行重復多次熱療。在磁感應熱療介質(zhì)的研究方面，大量研究表明磁流體是理想的磁感應熱療介質(zhì)。由于磁流體具有液體的流動性和優(yōu)良的磁學性能，可通過注射方式進入腫瘤，這成為當前熱療介質(zhì)的研究熱點和發(fā)展趨勢。

目前，磁流體磁感應熱療在德國已進入臨床試驗。雖然熱療技術取得了極大的進步，但在臨床上，熱療大多是作為化療和放療的一種輔助治療手段，以增強化療或者放療的效果。熱化療是指將藥物化療與熱療聯(lián)合使用的、以期獲得更佳的抗腫瘤效果的腫瘤治療方法(圖2)。

2.3 磁流體推進器

磁流體推進器是利用電磁線圈作用于海水形成噴射推進。當海水流過推進器時，被正負電極所電離。而強有力的磁場對帶電荷的海水產(chǎn)生洛倫茲力，使海水加速從導管尾部噴出，其反作用力就推動了艦艇前進。

與傳統(tǒng)機械轉動類推進器(譬如螺旋槳、水泵噴水推進器等)相比較，磁流體推進器的不同點在于:前者使用機械動力作為推力而后者使用電磁力。正因為如此，磁流體推進器無須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動機構和驅(qū)動軸等，不再受旋轉機械的功率限制，可實現(xiàn)高推進功率等級，從而可制造出高航速艦船;取消了常規(guī)螺旋槳、噴水推進的轉動機構，從根本上消除了因機械轉動而產(chǎn)生的振動、噪音以及功率限制，而能在幾乎絕對安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行，并且據(jù)理論計算其航速可達150節(jié)，而這是任何機械轉動類推進器不可能實現(xiàn)的，因此具有極強的靈活性和隱蔽性，無疑具有極大的吸引力。

近年來，中國科學院電工研究所研制出磁流體推進試驗用0.87T，35mm×50mm×300mm的永磁磁體和0.46T的永磁式磁流體推進器及其船模后，又研制出推進器用磁通密度達4T、直徑200mm、長300mm的螺管形超導磁體，并且正進行著螺旋型超導磁流體推進器及船模的研究。

2.4 磁流體傳感器

磁流體傳感器是應用磁性液體在外磁場作用下，其導磁性能、粘度等發(fā)生變化引起的電信號和介質(zhì)的變化來實現(xiàn)測量。它包括磁流體壓差傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、流量傳感器、重力梯度計、角速度傳感器等，具有高靈敏度;高精度;線性度好;響應時間短;重復性好;更高的耐沖擊性能;可實現(xiàn)微型化;低成本;靜態(tài)和低頻響應性能優(yōu)良的特點。磁流體傳感器是磁流體應用的一個非常重要方面，廣泛用于航空航天、和國防軍事領域，解決各種特殊、復雜、高精度、條件惡劣下的測試問題。

羅馬尼亞學者Baltag等人研制了一種磁流體傾斜傳感器，在一個非磁性容器中部分填充磁流體，外面纏繞激勵線圈和檢測線圈，當容器有水平傾斜改變時，磁流體就發(fā)生流動，在不同的截面上的感生電勢和磁流體的截面積有關，通過檢測線圈輸出即可得到水平傾斜角。Papa等人研制了一種磁流體氣體微流量傳感器，利用氣泡通過放在磁流體中的線圈時線圈會發(fā)生電勢變化的特性，通過記數(shù)單位時間線圈電勢變化的次數(shù)以及單個氣泡的體積來得到流量的變化。Cotae等人研究磁流體作為電介質(zhì)材料的電容式傳感器，隨著磁流體中磁性微粒體積分數(shù)的增加，磁流體的電介質(zhì)常數(shù)呈線性增大，隨著磁場的增加，在磁場垂直于電場的方向，電介質(zhì)常數(shù)呈線性減少;在磁場平行于電場的方向，電介質(zhì)常數(shù)呈線性增大，利用這些性質(zhì)來檢測外磁場的大小。當外加磁場的大小超過某個臨界值時，磁流體中磁性顆粒還會發(fā)生團簇，進而磁流體的折射率會發(fā)生變化，且變化的大小與外加磁場的大小有關，據(jù)此可以利用磁流體來制作可調(diào)諧光子器件。傳感技術和檢測設備是磁流體最具發(fā)展?jié)摿妥罹叨鄻有缘膽弥弧?/p>

目前，國內(nèi)流量傳感的研究當中，以磁流體為核心的電磁感應傳感器在國內(nèi)剛進入初步研究階段，相關報道文獻很少，有待進一步深入研究(圖3)。

2.5 脈沖磁流體發(fā)電

脈沖磁流體發(fā)電研究始于20世紀60～70年代。脈沖磁流體發(fā)電機是指能在短時間內(nèi)把熱能直接轉換成電脈沖能量的磁流體發(fā)電裝置，它具有較高的電功率，并且結構簡單、運行方便。通常，磁流體動力發(fā)生器分為長脈沖(分.秒級)和爆炸短脈沖(微.毫秒級)兩種，前者多用于地質(zhì)勘探、地震預報研究，后者多用于軍事。一般的爆炸磁流體發(fā)電基本結構包括4部分:高能炸藥單元、等離子體發(fā)生器、發(fā)電通道和強磁場。

爆炸磁流體發(fā)電機以高能炸藥為能源，產(chǎn)生微秒級高功率電脈沖，具有功率密度高、可移動、可重復，容易小型化等優(yōu)點，是一種非常有前途的大功率脈沖電源。爆炸磁流體發(fā)電的基本結構包括4部分:高能炸藥單元、等離子體發(fā)生器、發(fā)電通道和強磁場。

使用脈沖MHD發(fā)電機作高功率脈沖電源有許多好處。(1)MHD發(fā)電機無轉動部件，是靜止的機械，從電工觀點看，它不是電機而是一種電器。(2)MHD發(fā)電機可以直接快速起動，工作流體充滿通道的時間即是發(fā)電機的啟動時間，脈沖MHD發(fā)電機工質(zhì)的速度均在1000m/s以上，所以用小于毫秒的時間即可啟動起來。(3)一般不需要中間儲能元件，可由發(fā)電機直接向負載傳遞能量。(4)不需要大功率轉換開關，這在脈沖功率技術中是一個十分重要的優(yōu)點。(5)它能以高功率提供長脈沖(ms～s級)，每個脈沖能量在兆焦以上。(6)由于使用化學能或核能，又無中間儲能器和轉換開關，因此相對而言脈沖MHD發(fā)電機體積小、工作可靠且成本低。

脈沖MHD發(fā)電機可作為托卡馬克和仿星器等熱核裝置、大型高超音速風洞、大型高能加速器的高功率脈沖電源;此外，由于它特別適合天基和機載應用，因此它在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、電磁發(fā)射和高功率應急通訊等領域備受青睞;它也是地質(zhì)勘探和地震預報的好工具。

我國(如科學院電工所)在常規(guī)MHD藝發(fā)電機方面已有重大突破。如能在此基礎上對脈沖MHD發(fā)電機進行探索和研制，就能滿足我國某些高技術的急需。

2.6 受控核反應方面

磁流體(液態(tài)金屬鋰鉛)包層因有諸多優(yōu)勢而被國際上普遍認為是未來聚變電站最有發(fā)展?jié)摿Φ脑O計之一。然而，液態(tài)金屬在磁約束強磁場環(huán)境下流動引起的磁流體動力學(MHD)效應，直接影響著包層熱效率和熱工水力設計的可行性。當前，聚變堆包層中的磁流體動力學效應相關問題是磁約束聚變堆研究領域中科研工作者的重要研究方向，也一直是此領域研究的熱點問題，是不可或缺的重要方向和關鍵內(nèi)容。

近幾十年來，國內(nèi)外對包層內(nèi)磁流體動力學效應進行了大量的理論實驗及數(shù)值研究。但是理論分析只能應用于簡單工況下的二維簡化模型;而實驗研究目前并不完善，隨著計算機科學和計算流體力學的發(fā)展，計算磁流體動力學在聚變包層中發(fā)揮越來越重要的作用，國際上開發(fā)了數(shù)個針對MHD問題的模擬程序，并取得了一定成績，但到目前為止，可以求解聚變包層內(nèi)高哈德曼數(shù)、復雜管道流動及涉及多項流、傳熱等模型的MHD程序幾乎還沒有。

在國內(nèi)，中科院FDS團隊開發(fā)了基于CFD軟件FLUENT開發(fā)的MHD程序MTC-F 1.0，并且在此基礎上優(yōu)化開發(fā)了MTC-F 2.0版本，可以求解Ha為500的三維MHD流動。同時，由中科院等離子體物理研究所FDS團隊自主研制的高溫多功能液態(tài)金屬鋰鉛實驗回路DRAGON-IV能夠模擬聚變堆工況，為開展聚變堆包層關鍵技術研究提供實驗平臺。

3 結語

當今對磁流體技術的研究和工藝日漸成熟，并廣泛應用于各個方面。磁流體的突出屬性，使磁流體成為重要的功能材料。當今，新型磁流體在宇宙儀器、推進器、傳感器、受控核反應的研制成功，無疑廣闊拓寬了磁流體的發(fā)展，也展示了其無限的發(fā)展前景。并且隨著隨著磁流體在生物科學中的研究與應用，為攻克人類的疾病提供了新的手段。

相信在不遠的將來，隨著研究的不斷深入，磁流體必將在更多領域發(fā)揮重要作用。

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