磁流体动力学

研究磁流体运动性质的科学，又称流体磁学 (hydromagnetics) 或 磁气动力学 ( magnetogas dynamics)。动力学的分支，电动力学和流体动力学的交叉学科。研究对象是与磁场相互作用的流体运动。

磁流体动力学的主要研究内容：①液态金属的运动性质;②电离气体或等离子体流动性的理论研究及应用研究。包括受控热核反应、超声飞行条件的模拟、对外空间推进的离子动力、重返大气层的空间飞 行器的制动、高能粒子加速器、微波发生器、热离子 能量转换装置、薄金属敷层的应用以及宇宙和上层大 气现象的研究等。

磁流体力学的基本方程组有16个标量方程，包含16个未知标量，因此是完备的。结合边界条件可以求解这个方程组。在磁流体动力学中，等离子体可以看作是良导体，电磁场变化的特征时间远远大于粒子碰撞的时间，电磁场可以认为是准静态的，因此麦克斯韦方程组中的位移电流项可以忽略，写为：由于存在洛仑兹力，欧姆定律的数学形式为：等离子体是流体，满足流体的连续性方程：流体的运动方程的右边应加上电磁力项，而重力与电磁力相比是小量，常常也可以忽略不计。因此运动方程为：其中能量方程的右边应加上因电磁场引起的焦耳热，重力所做的功可以忽略不计。

流体的状态方程形式为：

p = p(ρ,T)对于绝热过程，有pρ − γ = const 理想磁流体力学方程组对于无粘、绝热、理想导电的等离子体，即理想导电流体，磁流体力学方程可以简化为：pρ − γ = const ，其称为理想磁流体力学方程组，即 pρ − γ = const。

半导体磁流体动力学模型是一类出现在半导体器件科学中的宏观流体动力学方程组，它是在自相容电磁场的影响下描述电子和离子的，刻画了高频率条件下运转的半导体器件其内部电了的输运过程。模型方程组是由电子的质量和速度的守恒律方程祸合电磁场的Maxwell方程构成的。

目前对半导体磁流体动力学模型已经有非常多的研究。就半导体磁流体动力学模型方程组的类型而言，它是一类可对称化的拟线性双曲型方程组。一般来说，哪怕是在光滑的小初始条件下，拟线性双曲型方程组的经典解仍会在有限时问内破裂而产生激波。

在磁流体力学中，等离子体可以看作是良导体，电磁场变化的特征时间远远大于粒子碰撞的时间，电磁场可以认为是准静态的，因此麦克斯韦方程组中的位移电流项可以忽略，写为：

由于存在洛伦兹力，欧姆定律的广义形式为：

磁流体动力学主要应用于三个方面：天体物理、受控热核反应和工业。

磁流体动力学磁流体动力学天体物理

宇宙中恒星和星际气体都是等离子体，而且有磁场，故磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中得到发展和应用。当前，关于太阳的研究课题有：太阳磁场的性质和起源，磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有：星际空间无作用力场存在的可能性，太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波，新星、超新星的爆发，地球磁场的起源，等等。

磁流体动力学磁流体动力学受控热核反应方面

受控热核方应方面 这方面的应用有可能使人类从海水中的氘获取巨大能源。受控热核反应的目的就是把轻元素组成的气体加热到足够发生核聚变的高温，并约束它足够的时间，以使核反应产生的能量大于所消耗的能量。对氘、氚混合气来说，要求温度达到5000万到1亿开并要求粒子密度和约束时间的乘积不小于10秒/厘米（劳孙条件）。托卡马克（环形磁约束装置）在受控热核反应研究中显出优越性。美、苏和一些西欧国家各自在托卡马克的研究上取得进展，但只得到单项指标满足劳孙条件的等离子体，没有得到温度、密度和约束时间都满足劳孙条件的等离子体。磁镜、托卡马克和其他磁约束装置的运行范围都受稳定性的限制，即电流或粒子密度越大，稳定性越差，所以必须开展对等离子体中的平衡和大尺度不稳定性预测的磁流体力学研究，以期得到稳定的并充分利用磁场的托卡马克磁约束装置。

磁流体动力学磁流体动力学工业方面

磁流体力学除了与开发和利用核聚变能有关外，还与磁流体发电密切联系。磁流体发电的原理是用等离子体取代发电机转子，省去转动部件，这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15〜20%，甚至更高，既可节省能源，又能减轻污染。为了提高磁流体发电装罝的热效率，必须运用磁流体力学来分析发电通道中的流动规律，传热、传质规律和电特性。研究利用煤粉作燃料的磁流体发电对产煤丰富的国家有重要意义，这种研究目前正向工业发电阶段发展。苏联已实现天然气磁流体发电。

用导电流体取代电动机转子的设备，即用磁力驱动导电流体的装置有电磁泵和磁流体力学空间推进器（见电磁推进）。电磁泵已用于核能动力装置中传热回路内液态金属的传输，冶金和铸造工业中熔融金属的自动定量浇注和搅拌，化学工业中汞、钾、钠等有害和危险流体的输送等方面。电磁推进研究用磁场力加速等离子体以期得到比化学火箭大得多的比冲。

飞行器再入大气层时，激波、空气对飞行器的摩擦，使飞行器的表面空气受热而电离成为等离子体，因此利用磁场可以控制对飞行器的传热和阻力。但由于磁场装置过重，这种设想尚未能实现。2100433B

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。

磁流体是一种胶体溶液。作为密封用的磁流体，其性能要求是：稳定性好，不凝聚、不沉淀、不分解；饱和磁化强度高；起始磁导率大；粘度和饱和蒸气低，其他如凝固点、沸点、导热率、比热和表面张力等也有一定的要求。

影响磁流体稳定的主要因素有：微粒力度大小、表面活性剂和载液以及它们的合理配比。稳定性是磁流体各种特性存在的前提。

磁流体密封装置是由不导磁座、轴承、磁极、永久磁铁、导磁轴、磁流体组成，在均匀稳定磁场的作用下，使磁流体充满于设定的空间内，建立起多级“O型密封圈”，从而达到密封的效果；每级密封圈一般可以承受大于0.15～0.2个大气压的压差。总承压为各级压差之和，一般设计为2.5个大气压，总体耐压随液态“O”形圈的级数增加而增加。被世界各国广泛公认的“零泄漏”动密封先进技术。

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。但磁流体力学通常即指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。

等离子体和液态金属都是导电流体。等离子体包括99%以上的宇宙物质，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。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。