超导磁流体推进技术—动装24页PPT

浅谈磁流体推进器

题目：

浅谈磁流体推进器

院系：理学院物理系

2017年 6月 14日

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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究和突破。

关键词：磁流体推进器，推进力，潜艇，超导磁体.

一、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。

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二、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】

科技成果——磁流体推进技术

技术开发单位中科院电工研究所

项目简介

该技术是利用海水通过磁场而产生的电磁力来推动海洋装置前进的新技术，它取代了传统螺旋桨、轴系、减速齿轮等结构，极大地降低了噪声；推进器的磁体、电极等是相对静止的固定装置，不受旋转机械极限功率的限制，可制造超大功率的高速海水推进器，理论航行速度可达150节。

操作简便灵活，改变电极电流的方向和大小就可以改变推进装置推力的方向及大小，空间布局灵活，推进器安静舒适。目前，已研制成功世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进试验船HEMS-1号，船长为3.2米，排水量约1吨，可搭乘1人，中心磁场为5特斯拉，采用不锈钢镀铂电极，推力可达40-50牛顿，船速2节。该成果获中国科学院2000年科技进步二等奖。

应用范围低噪音海洋环境勘察、海洋观光旅游。

项目所处阶段实验室研究。

市场前景

世界游轮协会资助完成的一项研究显示，美国人口中有12.3%的人曾经乘坐过游轮，每年还有数以百万的人加入到这个队伍中来；超过6800万的美国人希望乘坐游轮，超过4300万人确定会成行，这意味着潜在的游轮度假市场至少达到570亿美元，最高可能达到850亿美元。我国自1976年9月日本国际游轮珊瑚公主号首次停靠大连港，访问中国沿海港口的游轮数量逐年上升。据《2010-2011中国邮轮发展报告》，2010年乘坐游轮赴海外旅游的出入境大陆游客达到79万人次，比上年增长20.1%。同时还有正在兴起的游艇项目，可见我国市场发展潜力巨大。应用磁流体推进技术，可形成海上观光游轮、游艇，海底观光的水下推进器，实现广大民众的海底观光愿望。磁流体推进技术噪音低、环保，对水下生物影响小，是一种环保、绿色的海洋观光技术。

合作方式

技术转让、技术入股、合作开发

超导磁流体推进器

我国代号为“洛神”的“超导磁流体推进器”潜艇研制已经取得了重大突破，开始进入试车定型阶段。

我国是个海洋大国，随着大洋经济的到来，我们越来越意识到海洋的重要性。但是由于我国的海军建设一直以来都是以近岸防御为主，而对保护稍远的海上利益却显得有些力不从心。于是大力发展远洋海军，对中国来说是势在必行。可是，一味追赶，一味模仿外国海军的模式,总令中国头头脑脑们陷入极大的被动。于是在90年代初期，由中国科学院电工所与中国舰船研究院负责，一个称为“剑鱼”（99工程）的计划实施了，其实质便是超导技术在海军舰艇方面的应用研究。从开始研制到今天试车成功这十几年时间里，我们的科学家们可谓是创造了人类的一个奇迹。下面我们就以下几个方面对我国的新型潜艇进行了解：

中国“洛神”超导磁流体推进器潜艇

90年代初期，由中国科学院电工所与中国舰船研究院负责，一个称为“剑鱼”（99工程）的计划实施了，其实质便是超导技术在海军舰艇方面的应用研究。从开始研制到今天试车成功共花费这十几年时间.

1、外型：当初分别参照了俄罗斯K级（“基洛”877-636）型艇，以及美国的“弗吉尼亚”级核潜艇，还有法国“红宝石”核潜艇作为新舰风洞模型。然而这些在以前的动力装置下，被喻为世界顶尖的水滴型设计的外型，在以超导磁流体作为动力的风洞实验中，其钝型的舰首在高速行驶下会与海水形成一个酷似音障的水障，因此大大影响了航速。于是，凝聚着中国的设计人员的智慧和力量的鱼形外型出现，并近乎完美的通过了风洞试验。其首部与尾部各有一对升降舵，在使用中，首升降舵主要用于产生正、负升力，改变或稳定航行深度；而尾升降舵用于产生纵倾或保持已有的纵倾角。两侧及围壳、舵内壳采用最新的高强度塑钢，它的承受力比目前的潜艇钢高出三倍以上，下潜最深深度可达800―1000米。而船体则包裹着一层由特殊材料制成的弹性“皮”称为“无回声蒙皮”，这种皮使艇壳对于声纳波几乎无反射.

超导磁流体推进新技术

从船被“造”出来的第一天起，人们就没有停止思考怎样让它更好的“前进”……

寻找可借之力

据船史学家考证，距今约一万年前，人类就开始使用篙、短桨和橹等工具，驱驶着独木舟、木排以及皮筏等原始船只在水中航行。大约在5000年前，埃及、腓尼基和巴比伦就出现了装桨的船只，靠众多奴隶划桨航行。这是船舶发展史上最早的推进方式：肌肉加木桨。

公元前3000年，古希腊人首次使用了帆，利用风力驱动船只前进，这便是船舶的又一种推进方式：风力加船帆。然而，在此后长达3500年的时间里，木桨一直仍是船舶最主要的推进器。尽管在一些桨船上也挂有简易的横帆，但那只是辅助动力，如图2。纯粹用帆作为推进器的船舶直到16世纪以后才开始普及，然后，风帆航海时代延续了将近300年。

18世纪下半叶，英国人瓦特发明了蒸汽机，随之带来了船舶动力的革命，而机动篙、机动划桨、明轮及螺旋桨等动用新动力的新型推进器设计相继出现。就19惜纪卜半叶蒸汽机的性能及工业条件而言，无疑明轮最为适宜，它由安装在船舷或船尾的大转轮旋转打水推动船舶。因为巨大的叶轮一半暴露在水面之外一目了

然，人们称之为“轮船”，而这一称呼一直沿用到了现在，如图3。明轮风光了百余年，但在风浪下叶轮的桨板会完全露出水面而形成空转、导致主机“飞车”自毁，而桨板又极易受损坏。因此，19世纪中叶以后，远洋船舶不得不寻找推进“新秀”——螺旋桨。

使用螺旋桨的想法由来已久，如图4。有人认为早在15世纪，达芬奇就提出了类似构想，而另一种说法则认为一位叫伯努力的瑞士人于1752年的某天，因观看一木匠干活，而受螺丝钉的启发提出了螺旋桨的设想。遗憾的是，当时没有蒸汽机，所以直到80年后(1838年)英国人史密斯才研制出世界上第一艘螺旋桨船“阿基米德”号。船上的那只螺旋推进器是一只“长尾巴”一样的木制单螺纹蜗杆，最初试航时，达到了约4节航速。然而，一次偶然的螺杆断裂却证明螺旋越少、航速越高，断杆竟然跑出了13节的航速。与其它推进器相比，螺旋桨重量轻、效率高、结构简单又完全安装在水下，用它推进的军舰在海战中不易被毁，因此，螺旋桨很快取代了明轮成为主要推进方式。

螺旋通道磁流体推进器

Spiral Channel MHD Propulsion

直管马鞍型超导磁流体推进器结构简单，但超导线圈与相关结构复杂，一种螺旋通道磁流体推进器的超导线圈简单，水流通道相对复杂但对于机械制造是简单的。中科院电工所在1998 年研制了世界上第一艘超导螺旋式磁流体推进试验船(HEMS -1)，是一艘在海水中行驶的超导磁流体推进船，由于在公开资料中没有看到螺旋通道磁流体推进器的近期新技术，本课件根据(HEMS -1)有关资料对其基本结构与原理作简单介绍。

螺旋通道磁流体推进器的超导线圈就是一个圆筒形线圈，圆筒也是水流的通道，通电后圆筒线圈内产生磁场，磁场方向与线圈筒轴线平行，但在筒内任何方向的电流都不可能使水轴向流动，电磁力不可能使水流动方向与磁力线方向平行，需要采取某种方法使筒内的水转为轴向流出。

在图1中有一个线圈，在线圈轴线处安装一个圆柱面电极（内电极），在线圈筒内壁面安装圆筒面电极（外电极），通上直流电，线圈产生轴向磁场，内电极接电源正极，外电极接电源负极，水在电磁力作用下在管内做环形流动，见图1。

图1-在线圈内产生环形水流

怎样让环形的水流变成轴向呢，在线圈筒内安装一块挡板，挡板以电流方向为轴，与磁力线有一定夹角（约45度），挡板拦住了环形水流，使其转为轴向，见图2。

图2-线圈内环形水流受挡板作用转为轴向以上过程用一段3D动画来演示，动画中的红色箭头线代表电流方向，蓝色箭头线代表磁场方向，运动的绿色小球代表水流走向。

螺旋通道磁流体推进器原理动画

实际的螺旋通道磁流体推进器内不是简单的几块挡板实现水流的转向，是在线圈筒内建立螺旋通道，螺旋通道部件中部是中轴体，在中轴体上绕有螺旋片，形成螺旋通道，在通道前端还有几片导流片，在后端有几片整流片，螺旋片、整流片、导流片均由绝缘材料制作，图3是螺旋通道部件的结构。

水从螺旋通道前端进入经前端导流片后进入螺旋通道，前端导流片的作用使进入螺旋通道的水较平稳，不出现涡流或湍流，水经过通道螺旋段后到后端整流片，使流出的水由螺旋运动转为轴向流动。

超导磁流体推进技术

现代舰舶的螺旋桨，自19世纪初问世以后，通过不断地改进技术与蒸汽动力一起，推动了人类航海史的巨大跨越。毫无疑问螺旋桨和蒸汽机一样，是200多年前第一次工业的产物。

今天，无论是内河还是大洋，冒着浓浓黑烟的蒸汽船早就不见了踪迹，可大大小小的船艇上螺旋桨还在隆隆地旋转。可是人类进入电器时代已超过100年了，陆地上的磁悬浮列车已经创造速度纪录，而在水面上，为什么不能用电与磁的力量，替代庞大而笨重的机械转动推进舰船呢？

设计师将目光聚焦到了“磁流体推进”技术。所谓磁流体推进，是对一个贯通海水的通道加上磁场，使导电的海水产生电磁力而在通道内流动，产生反作用力推动舰船前进。而采用超导磁体作为磁场来源，则称为超导磁流体推进器。

超导磁流体推进器外观

磁流体推进器由磁体、电极和通道3部分构成，其推进过程可以借助物理学中的“磁场对通电直导线的作用”这一现象解释。将金属直导线放入磁场中，当导线通电时，磁场就会对通电导线施加一个侧向力而使导线发生移动，力的方向为右手拇指所指方向。若将金属导线视替换为带电的海水，则海水就会像导线一样向拇指所指方向运动。通过调节电流大小，可以控制速度；改变电极极性可以改变运动方向。

与传统推进器相比，磁流体推进装置没有转动机构，可以使船舶几乎在安静的状态下航行，从而大大改善了航海人员的生活、工作环境，并可极大的增加军用舰艇隐蔽性。

由于克服了转动机械的功率限制，不会像螺旋桨那样在高速旋转时产生空泡，磁流体推进还可以大幅提高输出功率，为制造超高速舰船创造条件。

超导直线电磁推进系统试验船“大和一号”

此外，磁流体推进器各个部件，如发电机、推进器、辅控设备等，相互之间没有“刚性连接”，可集中安装也可分散于任何舱室之中，从而极大地增加了舱室布置的灵活性。

虽然有突出的优势，但目前超导磁流体推进器在实用化方面还存在着一些亟待解决的问题。主要是系统轻量化、小型化问题，高性能电极材料技术、磁流体漏磁问题，以及高效率的通道设计等。

磁流体推进技术概述

磁流体推进的研究

姓名：娄树旗学号：20090916 班级：04120901 专业：电子科学与技术（光电子方向）

摘要：磁流体推进是利用海水中电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生推力的一种推进方法，可用于船舶、鱼雷、潜艇等水中作业工具，具有振动小、噪声低、操作灵活等优良特点。由于超导磁体的应用，目前磁流体推进技术已处于推进实用化研究阶段，大部分科学难题都已得到解决，但仍有少部分问题没有得到有效解决，比如如何完善超导材料及磁体技术。为了能够找到克服技术难题的关键，必须从工作原理对磁流体推进技术作详细的叙述，对磁流体推进器作系统的分析和对比，从中发现线索，找到突破口。

关键词：磁流体推进；超导磁体；工作原理

一、引言：

传统的船舶动力来源一般是人力、自然力、机械力，既耗时又耗力。现代船舶改用电力

作为推动装置，大大简化了操控过程，再加上核能发电技术的日益完善，现代船舶航行现状大为改观，船速更快，船向变化更灵敏。而磁流体概念的诞生又为现代推进技术增加了改进的可行性。

二、磁流体推进的工作原理：

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。

带电离子或者通电直导线在磁场中会受到力的作用，带电粒子受的力叫洛伦兹力，通电

导线受的力叫安培力。该力与离子运动速度或者导体棒中的电流满足左手系，即伸直左手，让磁感线垂直穿过手心，四指指向离子运动或导体棒中电流的方向，大拇指的指向就是带电粒子或者通电直导线受到的力的方向。磁流体推进技术就是依据以上的基本原理发展起来的。

我们先看一个磁流体推进简图（右图所示）。

此图为磁流体推进最简单的矩形通道图，该矩形长、宽、高分别为L、a、b，电流大小为I,电流密度为J，电源电动势为E，穿过绝缘板的磁场的磁感应强度为B，海水受力海水F，矩形通道受力为推F，海水流速为u，船速为船v。

中国第一艘运用磁流体推进的船(图)

中国第一艘运用磁流体推进的船(图）

天下兴亡发帖于：环球风云

发布时间：2006-3-17 19:07:24

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超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能，以喷射推进取代传统螺旋桨推进的新技术，它具有低噪音和安全性等特点，在特殊船舶推进应用中具有重大价值。我所从1996年开始从事超导磁流体推进技术的研究，研制成功世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进实验船，2000年获中科院科技进步二等奖。建成了用于磁流体推进器水动力学研究的海水循环试验装置和用于试验船综合性能研究的航试水池。目前，正在进行超导电磁流体推进技术的实用化研究。

为了推进该项技术的实用化进程，中国科学院电工研究所与日本神户商船大学合作，利用日本筑波国立金属材料研究所15特斯拉螺管型超导磁体条件，于一九九九年完成了世界上首次在实用化磁场条件下的磁流体推进试验，推力密度和电磁效率与日本“大和一号”相比，提高了一个多数量级，为该项技术开始在我国应用于舰船推进准备了条件。现在，该项技术已更大地受到有关部门的重视，中国科学院电工研究所正在与有关部门一起制订“十五”发展计划，为发展21世纪新型舰船推进技术作出贡献

关于磁流体学术分类，一般是分为两种：1，磁流体静力学；2，磁流体动力学

磁流体的发现

磁流体现象的发现，起缘于19世纪40年代一位英国人的发现，当时他提出磁流体电动势力学的设想。但处于19世纪科学发展的局限，认同的同行可谓少之又少。一直到20世纪40年代，有位叫哈特曼的科学家进行了流动磁场定量试验，发明出“哈特曼流动”的理论计算方法后，这一发现才逐渐被世人所接受。再后来就是阿尔文“引导中心”和“ 阿尔文波”理论的出现、伦德奎斯特“ 磁流体静力”的发现，并且在20世纪60年代发现等离子和磁流体互相作用的新发现

磁流体的原理

因为朋友们对磁流体静力不会感兴趣，所以就谈一些关于磁流体动力方面的原理。前面替到“哈特曼流动”的理论，即，导电流体运动对磁场影响的问题，流体电阻对磁场影响的问题，其中包括磁冻结和磁扩散。磁流体动力流动的数学分析复杂化，一般使用近似方法或数值法求解。磁流体动力学流动的数学分析复杂化，通常要用近似方法或数值法求解，包括小扰动波和有限振幅波。磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，所以求解困难。但在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解，而只需求某一特殊问题的方程组的解。一般应用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数，并简化方程，即可得到有实用价，磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数、马赫数、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方程组不外是分析法和数值法。利用计算机技术和计算流体力学方法可以求解较复杂的问题。磁流体力学的理论很难像普通流体力学理论那样得到充分的验证。由于在常温下可供选择的介质很少，同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象，故不易进行模拟。模拟天体大尺度的磁流体力学问题更不易在实验室中实现。所以磁流体力学的理论有的可以得到定量验证，有的只能得到定性或间接的验证。当前有关磁流体力学的实验是在各种等离子体发生器和受控热核反应装置中进行的

船舶超导磁流体推进技术展望

王天奎;顾建民

【期刊名称】《船舶工程》

【年(卷),期】1994(0)5

【摘要】船舶超导磁流体推进是最近发展起来的新颖船舶推进装置。由于该装置毋需常规船舶的螺旋桨、轴系和减速齿轮等转动机构，故具有高速、安静、灵活的优点。本文简要叙述了该推进方式的国内外研究动向和应用情况，以及要解决的关键技术，还分析和预测了突破关键技术的可能性及其应用的前景。

【总页数】6页(P9-13)

【关键词】超导体;磁流体;推进装置;船舶

【作者】王天奎;顾建民

【作者单位】中国船舶科学研究中心

【正文语种】中文

【中图分类】U664.2

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5.超导磁流体推进技术 [J],

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船舶磁流体推进与高温超导

李亚旭;刘晓林

【期刊名称】《船电技术》

【年(卷),期】2009(029)008

【摘要】简要介绍磁流体推进基本原理;回顾世界代表性船舶磁流体推进器开发情况;介绍磁流体推进器的类型与基本结构;阐述磁流体推进器特点和技术开发存在的问题;描述高温超导技术的发展;并指出船舶磁流体推进器的实用化前景在于高温超导技术的应用.

【总页数】4页(P1-4)

【作者】李亚旭;刘晓林

【作者单位】中国船舶重工集团公司七一二研究所,武汉,430064;中国船舶重工集团公司七一二研究所,武汉,430064

【正文语种】中文

【中图分类】TM26 U664.3

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