磁流体动力学效应在当代科技中的应用与发展

摘 要:磁流体动力学的相关研究是当代迅速发展起来的一项新技术,它在外界磁场下表现出来的独特性能和优点,引起人们的极大兴趣和广泛的关注。目前,我国和世界上许多国家都在积极地开展这项研究。

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方法;分析了该研究领域典型的研究方向和工作机理,并且详细描述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,指出磁流体发展中存在的问题,并针对这些问题提出了有效的解决方案和意义。

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

中图分类号:O361文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)11(C)-0016-03

1 磁流体简介

磁流体(magnetic fluid)是指由纳米磁微粒、表面活性剂、载液组成的有机统一体磁性液体,这种磁性液体在不加外磁场时是可流动的液体,然而在强磁场下,其流变性质发生急剧变化,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、磁光效应、磁热效应、磁粘性、流变性等基本特性。

磁流体常用的制备方法包括机械研磨法、共沉淀法、真空蒸发法、等离子法、热分解法等。

2 磁流体动力学效应的研究与应用

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叉学科。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。

2.1 磁流体密封

磁流体密封是利用永久磁铁在转轴和极齿间的密封间隙内产生强磁场,将磁性流体固定在密封间隙内,形成液体“O”形密封环,磁场力和外界压差相平衡而实现介质密封。磁流体密封是近年来迅速发展起来的一项新技术,具有:(1)严密的密封性;(2)不可测量的泄漏率;(3)长寿命;(4)可靠性高;(5)没有污染;(6)能承受高转速;(7)最佳的扭矩传递;(8)低的粘性摩擦;(9)磁性流体密封即使在中断运行时,也不像弹性密封在停机期间,受增塑和驰豫的影响等优点。可以在高速下运行,尤其在旋转轴密封中具有独特的优越性。

20世纪60年代中期,美国首先成功用于解决宇航服可动部分的真空密封以及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题。在国内,磁流体密封技术主要用在真空、防尘的气体动密封中,动态密封是最早开发和应用的磁流体应用技术,已广泛应用于机械等设备的密封,其应用领域包括半导体加工、光学纤维、激光器、x射线装置、热处理设备、硅单晶多晶炉和航空电子技术等,磁流体密封技术的广泛应用,提高了产品质量,获得了很好的经济效益(图1)。

2.2 磁流体热疗

磁流体热疗是利用交变磁场下磁流体可将磁能转化为热能这一特性而发展起来的一种新型的热疗手段。热疗作为一种辅助治疗肿瘤的方法早已得到临床应用,它是利用各种物理手段将肿瘤组织温度升至43℃以上,并维持一段时间,依靠肿瘤细胞对热的敏感性,加速癌细胞死亡。

与传统的热疗技术相比,磁感应热疗技术具有可治疗深层肿瘤、靶向性高、副作用小、微创甚至无创的特点;且磁感应介质一经植入肿瘤部位,可以对病人进行重复多次热疗。在磁感应热疗介质的研究方面,大量研究表明磁流体是理想的磁感应热疗介质。由于磁流体具有液体的流动性和优良的磁学性能,可通过注射方式进入肿瘤,这成为当前热疗介质的研究热点和发展趋势。

目前,磁流体磁感应热疗在德国已进入临床试验。虽然热疗技术取得了极大的进步,但在临床上,热疗大多是作为化疗和放疗的一种辅助治疗手段,以增强化疗或者放疗的效果。热化疗是指将药物化疗与热疗联合使用的、以期获得更佳的抗肿瘤效果的肿瘤治疗方法(图2)。

2.3 磁流体推进器

磁流体推进器是利用电磁线圈作用于海水形成喷射推进。当海水流过推进器时,被正负电极所电离。而强有力的磁场对带电荷的海水产生洛伦兹力,使海水加速从导管尾部喷出,其反作用力就推动了舰艇前进。

与传统机械转动类推进器(譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等)相比较,磁流体推进器的不同点在于:前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此,磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和驱动轴等,不再受旋转机械的功率限制,可实现高推进功率等级,从而可制造出高航速舰船;取消了常规螺旋桨、喷水推进的转动机构,从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制,而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行,并且据理论计算其航速可达150节,而这是任何机械转动类推进器不可能实现的,因此具有极强的灵活性和隐蔽性,无疑具有极大的吸引力。

近年来,中国科学院电工研究所研制出磁流体推进试验用0.87T,35mm×50mm×300mm的永磁磁体和0.46T的永磁式磁流体推进器及其船模后,又研制出推进器用磁通密度达4T、直径200mm、长300mm的螺管形超导磁体,并且正进行着螺旋型超导磁流体推进器及船模的研究。

2.4 磁流体传感器

磁流体传感器是应用磁性液体在外磁场作用下,其导磁性能、粘度等发生变化引起的电信号和介质的变化来实现测量。它包括磁流体压差传感器、加速度传感器、倾角传感器、流量传感器、重力梯度计、角速度传感器等,具有高灵敏度;高精度;线性度好;响应时间短;重复性好;更高的耐冲击性能;可实现微型化;低成本;静态和低频响应性能优良的特点。磁流体传感器是磁流体应用的一个非常重要方面,广泛用于航空航天、和国防军事领域,解决各种特殊、复杂、高精度、条件恶劣下的测试问题。

罗马尼亚学者Baltag等人研制了一种磁流体倾斜传感器,在一个非磁性容器中部分填充磁流体,外面缠绕激励线圈和检测线圈,当容器有水平倾斜改变时,磁流体就发生流动,在不同的截面上的感生电势和磁流体的截面积有关,通过检测线圈输出即可得到水平倾斜角。Papa等人研制了一种磁流体气体微流量传感器,利用气泡通过放在磁流体中的线圈时线圈会发生电势变化的特性,通过记数单位时间线圈电势变化的次数以及单个气泡的体积来得到流量的变化。Cotae等人研究磁流体作为电介质材料的电容式传感器,随着磁流体中磁性微粒体积分数的增加,磁流体的电介质常数呈线性增大,随着磁场的增加,在磁场垂直于电场的方向,电介质常数呈线性减少;在磁场平行于电场的方向,电介质常数呈线性增大,利用这些性质来检测外磁场的大小。当外加磁场的大小超过某个临界值时,磁流体中磁性颗粒还会发生团簇,进而磁流体的折射率会发生变化,且变化的大小与外加磁场的大小有关,据此可以利用磁流体来制作可调谐光子器件。传感技术和检测设备是磁流体最具发展潜力和最具多样性的应用之一。

目前,国内流量传感的研究当中,以磁流体为核心的电磁感应传感器在国内刚进入初步研究阶段,相关报道文献很少,有待进一步深入研究(图3)。

2.5 脉冲磁流体发电

脉冲磁流体发电研究始于20世纪60～70年代。脉冲磁流体发电机是指能在短时间内把热能直接转换成电脉冲能量的磁流体发电装置,它具有较高的电功率,并且结构简单、运行方便。通常,磁流体动力发生器分为长脉冲(分.秒级)和爆炸短脉冲(微.毫秒级)两种,前者多用于地质勘探、地震预报研究,后者多用于军事。一般的爆炸磁流体发电基本结构包括4部分:高能炸药单元、等离子体发生器、发电通道和强磁场。

爆炸磁流体发电机以高能炸药为能源,产生微秒级高功率电脉冲,具有功率密度高、可移动、可重复,容易小型化等优点,是一种非常有前途的大功率脉冲电源。爆炸磁流体发电的基本结构包括4部分:高能炸药单元、等离子体发生器、发电通道和强磁场。

使用脉冲MHD发电机作高功率脉冲电源有许多好处。(1)MHD发电机无转动部件,是静止的机械,从电工观点看,它不是电机而是一种电器。(2)MHD发电机可以直接快速起动,工作流体充满通道的时间即是发电机的启动时间,脉冲MHD发电机工质的速度均在1000m/s以上,所以用小于毫秒的时间即可启动起来。(3)一般不需要中间储能元件,可由发电机直接向负载传递能量。(4)不需要大功率转换开关,这在脉冲功率技术中是一个十分重要的优点。(5)它能以高功率提供长脉冲(ms～s级),每个脉冲能量在兆焦以上。(6)由于使用化学能或核能,又无中间储能器和转换开关,因此相对而言脉冲MHD发电机体积小、工作可靠且成本低。

脉冲MHD发电机可作为托卡马克和仿星器等热核装置、大型高超音速风洞、大型高能加速器的高功率脉冲电源;此外,由于它特别适合天基和机载应用,因此它在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、电磁发射和高功率应急通讯等领域备受青睐;它也是地质勘探和地震预报的好工具。

我国(如科学院电工所)在常规MHD艺发电机方面已有重大突破。如能在此基础上对脉冲MHD发电机进行探索和研制,就能满足我国某些高技术的急需。

2.6 受控核反应方面

磁流体(液态金属锂铅)包层因有诸多优势而被国际上普遍认为是未来聚变电站最有发展潜力的设计之一。然而,液态金属在磁约束强磁场环境下流动引起的磁流体动力学(MHD)效应,直接影响着包层热效率和热工水力设计的可行性。当前,聚变堆包层中的磁流体动力学效应相关问题是磁约束聚变堆研究领域中科研工作者的重要研究方向,也一直是此领域研究的热点问题,是不可或缺的重要方向和关键内容。

近几十年来,国内外对包层内磁流体动力学效应进行了大量的理论实验及数值研究。但是理论分析只能应用于简单工况下的二维简化模型;而实验研究目前并不完善,随着计算机科学和计算流体力学的发展,计算磁流体动力学在聚变包层中发挥越来越重要的作用,国际上开发了数个针对MHD问题的模拟程序,并取得了一定成绩,但到目前为止,可以求解聚变包层内高哈德曼数、复杂管道流动及涉及多项流、传热等模型的MHD程序几乎还没有。

在国内,中科院FDS团队开发了基于CFD软件FLUENT开发的MHD程序MTC-F 1.0,并且在此基础上优化开发了MTC-F 2.0版本,可以求解Ha为500的三维MHD流动。同时,由中科院等离子体物理研究所FDS团队自主研制的高温多功能液态金属锂铅实验回路DRAGON-IV能够模拟聚变堆工况,为开展聚变堆包层关键技术研究提供实验平台。

3 结语

当今对磁流体技术的研究和工艺日渐成熟,并广泛应用于各个方面。磁流体的突出属性,使磁流体成为重要的功能材料。当今,新型磁流体在宇宙仪器、推进器、传感器、受控核反应的研制成功,无疑广阔拓宽了磁流体的发展,也展示了其无限的发展前景。并且随着随着磁流体在生物科学中的研究与应用,为攻克人类的疾病提供了新的手段。

相信在不远的将来,随着研究的不断深入,磁流体必将在更多领域发挥重要作用。

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