磁流体力学（精选8篇）
磁流体力学 篇1
引言
磁流体力学(magnetohydrodynamics (MHD),magnetofluidmechanics)是流体力学的一个分支,它的研究内容涉及磁场对导电流体的作用.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,是物质的第四态,含有足够多的自由带电粒子.运动的导电流体与电磁场相互作用产生许多有趣的现象.磁流体力学与核能、化学、冶金、航天等技术科学密切相关.电磁冶金、电磁流量计、电磁制动、电磁轴承、电磁激波管以及应用磁场控制飞行器再入大气层时产生的等离子体的流动来减小对飞行器的传热和阻力等是磁流体力学的主要工业应用.磁流体力学作为现代物理学的一个重要分支在天体物理、受控热核反应等领域有重要应用.
磁流体力学的发展历史可以追溯到1832年Farady(法拉第)的开创性工作[1].1937年Hartmann(哈特曼)对水银在磁场中的流动进行了定量实验[2].1942年Alfven(阿尔文)[3]研究磁流体动力学波(即阿尔文波),推动了磁流体力学的发展,并获得诺贝尔奖,正是Alfven首次使用magnetohydrodynamics一词.1950年Lundquist(伦德奎斯特)[4]探讨了利用磁场约束等离子体的磁流体静力学稳定性.
郭永怀先生早在1950年代就倡导关心电磁流体力学的研究[5,6].关于电磁流体力学研究的目的,郭永怀先生指出,第一,人类将来势必要从受控热核反应中取得大量能源,而研究高温等离子体、磁流体理论乃是受控热核反应的基础;第二,航天器返回大气层时,也会碰到气体电离及磁流体力学问题;第三,可以通过磁流体发电,直接取得能源.郭永怀先生给当时的力学所磁流体力学课题组提出了3个研究方向:磁流体和等离子体稳定性,磁流体直接发电和同位素的电磁离心分离.
正如郭先生所预见的,人类对新能源的迫切需求推动了世界各个主要国家对热核聚变反应堆的研发.国际热核聚变实验堆(ITER)的研发是人类朝着实现聚变能和平利用的重要步骤,主要成员国有欧盟、美国、日本、中国、俄罗斯、韩国、印度.与此同时,作为热核聚变的理论基础,电磁流体力学也获得蓬勃的发展.
本文旨在围绕磁约束受控热核聚变反应堆能量转换与传递的关键部件的研发,针对液态锂铅包层在极大热流密度、非均匀分布的大热源和强磁场作用下的金属流体流动、传热等基础热流科学问题,就其数值模拟、理论分析和实验研究的发展做简要介绍.
1 聚变反应堆
能源短缺和环境污染是当今全世界共同面临的难题,世界各国科学家一直致力于对新能源的探索研究.受控核聚变是一种能量巨大、原材料取之不尽、洁净、安全的新能源.聚变时较轻的原子核聚合成较重的原子核而释放能量,聚变发生须在足够高的温度下,原子核具有很高的动能或很高的相对速度,以克服库仑斥力.氢弹以原子弹引爆,产生几千万度高温,促使聚变反应发生.氢弹的聚变反应是不可控的,和平利用聚变能需要发展受控核聚变.
核聚变等离子体温度极高,达到一亿度以上,任何容器都无法承受如此高温,通常采用惯性约束和磁性约束将高温等离子约束在一定区域.人们熟知的托克马克装置就是磁约束聚变反应堆.
受控热核聚变反应堆的发展有着很长时间的历史,20世纪50年代建立了最初的小型磁约束装置,60年代建立了托克马克装置,70年代建立了中型尺寸的托克马克装置,80年代建立了大型托克马克装置,90年代则达到了聚变功率得失相当的水平.本世纪开始的2006年世界协议建造国际热核聚变反应堆ITER,计划2019年第一次等离子体放电并开始系列实验.在此基础上,计划20年左右建立商业示范反应堆(DEMO),并在将来最终建立热核聚变反应堆.中国在中科院等离子体研究所,核工业西南物理研究院也发展了系列磁约束热核聚变装置,有等离子体所的HT-7,EAST[7]等,西南物理研究院的中国环流器一号、二号[8]等研究热核聚变反应的大型装置.EAST更是世界上首个非圆截面的全超导托克马克装置,2006年首次建成并放电成功,被评为2006年中国“重大技术进展”和“基础研究十大新闻”.2006年11月,中国正式签约加入ITER的国际合作项目.
ITER(图1)是磁性约束的受控核聚变试验堆,拟应用5×104高斯(五特斯拉)的强磁场把高温、高密度的等离子气团维持到一个空间,使它不至于接触物体的器壁.ITER采用氘和氚做反应材料,氘可以从海水中直接提取.每升海水中含有0.03克氘,经聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放的能量.而中子和锂反应则产生氚,自然界的锂和锂合金储量极为丰富,足够为人类长久使用.ITER的建造将是人类推动聚变能利用的一个里程碑,为聚变能的商业应用奠定基础.
2 包层-能量转换关键部件
受控热核聚变反应堆是一个极度复杂的高技术系统,涉及高温到低温、高压到高真空、强电流与强磁场作用,其原理见图2所示.其等离子体反应区,温度高达109℃,而超导磁体区温度则低至4K(-269℃).包层区(含第一壁)的温度为百度量级.
在产生聚变能的热核聚变堆中,包层是实现高环境适应性和低发电成本的聚变能源利用的关键能量转换部件,其主要功能包括氚增殖、能量转换和辐射屏蔽等.高温氘氚等离子体受磁场约束在高温下反应产生中子并释放能量,在第一壁处形成1 MW/m2的热流密度,在偏滤器处更高达10 MW/m2.中子穿过第一壁,和包层里的锂铅反应产生氚并释放热量,在包层内产生热源.在热核聚变堆运行中,氚将作为补充的反应材料,和氘反应.在ITER的氘氚反应试验中,包层内由于中子反应产生的体积热流密度达10 MW/m3,且呈非均匀空间分布.
ITER作为试验堆,在实验过程中,关于包层,主要解决两个问题:第1个问题是热核聚变反应堆的氚能否自给?氚在自然界的含量极少,且半衰期只有12年.第2个问题是,包层能否实现高效的能量转换.ITER实验包层工作组确立了5类包层概念作为重点研究对象,有固态和液态包层.中科院等离子体研究所和核工业西南物理研究院分别负责ITER中国液态锂铅包层[9]及固态锂铅包层实验模块的设计研究和技术发展工作[10].
液态锂铅包层使用液态金属锂铅(LiPb)作为增殖材料,其中Pb用于增殖中子,Li用于增殖氚.相比固态包层,液态锂铅包层的优点体现于:对托克马克复杂几何具有好的适应性,具有高的氚增殖性;液态金属增殖剂可作为氚的循环载体,可以设计实时在线的氚提取系统,减少包层的更换频率;液态金属循环系统的存在可以实时在线补充消耗掉的Li同位素;液态增殖剂具有良好的导热和载热能力,允许设计高功率密度、高热效率包层系统.欧共体、美国和中国均将液态锂铅包层作为主要研究对象之一而重点发展,有欧盟的氦冷锂铅包层(HCLL)[11]、美国的双冷锂铅包层(DCLL)[12]、中国双功能锂铅实验包层(DFLL)[9]模块等.
3 包层相关的磁流体力学问题
为了实现高效的能量转换,包层内锂铅流体作为核聚变反应堆中主要的能量载体,其出口温度应尽可能高.高温锂铅流体对钢壁有很大的腐蚀作用,需要限制壁面的最大温度.包层内锂铅流体穿越磁场流动引起磁流体动力学(MHD)效应[13,14]带来的问题有:电磁力引起的MHD压力降、影响流型流速分布以及改变流动特性、影响传热和结构材料的热应力分布、影响结构材料的腐蚀及氚往结构材料的渗透等.热核聚变反应堆液态包层的主要部件内的金属流体处于强磁场作用下的复杂的多尺度三维流动与传热传质过程.金属流体磁流体动力学的深入研究是保证液态锂铅包层设计成功的关键所在,为热核聚变领域当前非常重要的前沿研究课题.
核聚变包层内的金属流体Hartmann数(Ha为度量磁场强度的无量纲参数)高达104～105.与磁场方向垂直的壁面附近的边界层叫Hartmann层,其无量纲厚度用Ha-1度量.与磁场方向平行固壁叫侧壁,相应的边界层叫侧层,其无量纲厚度用Ha-1/2来度量.在以米为长度尺度的核聚变包层,在正常运行情形下,Hartmann层的厚度为微米量级的尺度,侧层的厚度则为毫米量级.在微米量级尺度的Hartmann层内,有大量的电流流过.金属流体在磁场作用下的流动与流道的几何形状、固壁的导电性及磁场的分布有着极大的关系.包层内的导电壁面、强的磁场梯度及管道形状的改变,电磁力会在侧层内形成很强的射流,而在主流区流速则很低,形成磁流体动力学中典型的M型速度分布.当射流足够强时,可引起不稳定流,甚至湍流.M型速度分布对温度场有很大的影响.而包层壁面的温度受到结构钢与LiPb相容性温度限制,不能超过480℃,否则锂铅金属流体对壁面的腐蚀是不可容忍的.
双冷或双功能液态锂铅包层(DCLL或DFLL),锂铅流体和中子反应产生的热量主要由锂铅流体本身冷却.在其概念设计中,为提高包层的热转换效率,锂铅的出口温度很高,可高达700℃,甚至1000℃.由于钢壁的最大温度限制,为进行DCLL或DFLL系统实验,特别需要发展与热流相关的关键技术有流道插件(FCI:flow channel insert)[9,12,15].
图3为DCLL的一流动单元[16],钢壁里有氦气(He)冷却,管道里流动的是锂铅(Pb-17Li)金属流体,在管道内放入由SiC材料制成的流道插件,作为电和热的绝缘部件.FCI材料有低导电率和低热导率以减小电磁力引起的压力降及降低钢壁的表面温度.FCI和钢壁间的小缝隙流动的也是锂铅流体,为了减小流道插件里外壁间的压差,在FCI上开有小通道或多个小孔.FCI技术是DCLL和DFLL概念特需的技术,直接关系到MHD效应的减弱.SiC材料两侧温度差较大,其热应力与材料的合成和结构形状有关,热应力对FCI内的温度梯度有个限制,关系到FCI技术的成败及DCLL/DFLL概念包层能否实现高效的能量转化.在现有FCI技术特点及相关的流动和传热特性的分析基础上,对其内部流动和传热做深入的研究和发展,对探索新概念FCI设计具有重要的理论指导意义和实际价值.
HCLL为氦气冷却液态锂铅包层,锂铅的流动速度很低,只用于带走锂铅和中子反应产生的氚,锂铅和中子产生的热量由钢壁内的氦气冷却.由于钢壁的最大温度限制,HCLL包层的锂铅出口温度较低,其能量转化效率不高.钢壁有涂层以减少氚的渗透(传质问题),同时降低MHD效应.而涂层表面的微米量级微细尺度裂纹,均可破坏涂层对降低MHD效应的影响,需要发展多尺度精确算法对其进行深入的研究.
在锂铅包层内中子和锂反应,生成聚变反应所需的材料氚并产生巨大热量,在包层内形成高达10 MW/m3空间非均匀分布的热源,同时电磁场的影响会产生Joule热耗散.包层壁面低端和高端有温度差,靠近等离子区的第一壁与远离等离子区的壁面有温差,由温差引起的自然对流起着非常重要的作用.ITER核聚变反应堆及示范堆(DEMO)包层内的金属流体流动,Grashof数Gr在107～1012间,Hartmann数Ha在104～105间,自然对流引起非定常流动和传热.包层内金属流体的流动和传热现象极其复杂,涉及强磁场作用下的自然对流与强迫对流传热,强磁场作用下的湍流流动与湍流传热,同时氚往壁面的渗透及锂铅金属流体对壁面的腐蚀过程,存在典型的传质问题,这些基本现象与规律是传统力学与工程热物理学科需要进一步深入研究的内容.
在聚变包层中,人们还会遇到另一种复杂的流动现象,即同芯母管(manifold)内的金属流体在磁场作用下分配到子管中.锂铅通过小管道进入突扩管道,经过一段流动分配到几个子管,锂铅在各个小通道里流动,并和中子反应产生热量和氚.同芯母管内的金属流体能否均匀地分配到各个子管中,关系到包层结构设计的安全性和能量转换的效率.而金属流体在磁场作用下,从小管道进入突扩管道或由扩展管道进入小管道,会产生轴向电流,该轴向电流在流体内部形成封闭圈,流道插件不能对其产生有效的作用.
UCLA对同芯母管(图4)在磁场下的流动进行了实验和数值研究[17,18,19].管道的突扩诱导轴向电流,从而形成M型速度分布,如图5的计算结果所示[18,19].该M型速度分布会在随后的3个小通道内形成不均匀的流量分布,从而对包层的设计产生很大影响.
4 磁流体力学问题的研究进展
磁约束热核聚变液态包层内的磁流体力学流动与传热的主要特征为:(1)多物理场作用.需要考虑电磁场、温度场、流场、压力场等的多尺度、多物理场、强非线性耦合影响.就连续介质层面考虑,需要对Navier-Stokes方程、Maxwell方程、传热与传质方程进行耦合求解.(2)表面热流密度及体积热流密度大.包层内部由于中子和锂铅的核反应,会产生10 MW/m3单位体积大的热流密度,并且空间呈非均匀分布.(3)应用磁场强度大.高达4～5T,Ha高达104～105,磁场且为多方向应用磁场,有强的磁场梯度.(4)流道几何形状复杂.结构壁面非绝缘,壁面有涂层,涂层可能有微细裂纹,而这些对磁场效应下的流动、传热与传质有着非常显著的影响.(5)锂铅流体不透光,在高温下对结构钢有强的腐蚀性.磁约束热核聚变包层内的流动与传热传质的核心问题是电磁场对流场和流型有很大影响,并进一步影响温度场的分布和材料的腐蚀及氚的渗透,称为MHD效应.对其开展研究的主要手段有理论分析、数值模拟和实验研究,已经成为磁约束热核聚变领域重要的前沿研究领域之一[7,11,19].
4.1 理论分析
理论分析主要分析简单的流动.忽略惯性项的作用,Hartmann[21]分析了两无限大平板流,Shercliff[22,23]分析了绝缘固壁内的二维MHD充分发展流动,Hunt[24]分析了Hartmann壁导电侧壁绝缘的两维充分发展MHD流动,并分别给出解析解.Walker[25]通过渐近分析法分析了薄的导电壁体在高Hartmann数下对流动的影响.结合理论分析和数值计算的渐近分析法,侧重研究流动的主要特征,只在大的Hartmann数Ha和大的交互参数N(度量电磁力和惯性力的比)下才有效.渐近分析法将流动分成两个区域:在主流区,电磁力和压力梯度平衡;在薄的黏性区,电磁力和黏性力平衡.这样,复杂的三维问题就简化成几个,与压力梯度和电势相关的二维的方程组.Kulikovskii[26],Bühler等[27]发展并应用了这个方法,对大Ha和大N下的MHD流进行了分析和研究.该方法快速有效,但该方法同样忽略了惯性项的作用,且局限于简单的几何形状.
4.2 实验研究
实验主要对低或中等强度的应用磁场作用下的流场进行测量,Hartmann数大多是在1000～5000这样的范围.
德国FZK中心做了突扩管实验[28],由于轴向电流的产生,会产生M型速度分布,会有MHD引起的压力降,并对传热传质有着很大的影响,该实验已经成为验证复杂结构下数值模拟及软件平台的重要结果[29].美国UCLA对一简化的同芯母管作了实验[17],研究磁场作用下的母管流动的流体能否均匀地分配到各个子管中,以及由于结构变化引起的轴向电流对压力降的影响规律,将实验结果和数值模拟[18,19]进行了比较,得到了一致的结论.美国Argonne国家实验室对直管和圆管里的流体在变梯度磁场下的流动做了实验研究[30],其结果已经成为三维数值模拟程序的基准比较之一[31,32].数值模拟的圆管内三维速度分布[32]示于图6,由于磁场梯度存在,可清晰看到M型速度分布.核工业西南物理研究院对涂层裂纹引起的MHD效应不稳定性进行了实验研究[33,34],对包层的流道插件内的MHD进行实验研究[35],首次给出了FCI内的流速与压力分布.中国科学院等离子体研究所,建立了系列锂铅回路,研究锂铅流体在不同温度下对材料腐蚀的影响[36].日本和美国在JUPITER和TITAN联合项目的支持下,对磁场作用下的流体的湍流流动和传热作了实验研究,研究磁场对湍流结构、速度分布和温度分布的影响,这一实验的流体介质是KoH,在Ha数为50～100下通过PIV测试完成的[37].
包层内的锂铅流体速度分布对温度场及材料的腐蚀均有很大的影响.锂铅金属流体的透光性不好,无法采用激光多普勒测试仪或PIV等对速度进行精确地测量.测量这类流体流速分布的主要方法有接触法和非接触法两类.
接触法包括皮托管,热丝和电势探针法.皮托管测速基于伯努利方程,Moreau等[38]指出用皮托管测量MHD速度分布时,由于电磁力的作用,滞止压力的损失不是完全转化成动能.热丝测量金属流体流速分布[39],对低于1 mm/s的速度分布的分辨率不够高,当金属流体的Pr数很小时,扩散传热和对流传热的大比值会导致速度分辨率快速下降,因而限制了热丝在MHD速度测试中的应用[40].
电势探针法[40]用于磁流体动力学的试验中,它具有结构简单,传感器尺寸小的特点,当采用接触法测试时,可以减少对流场的影响.Moreau等[41,42]则发展了一种非接触电势探针法测量流体在磁场作用下的流速分布,并研究磁场作用下湍流的特征.德国FZK研究中心也成功地应用非接触电势探针法测量突扩管道内的流速分布[28],UCLA则用它来测量同芯母管内的流速分布[17].电势探针法中,流体的流动方向要与磁场的方向垂直才能使用这种探针,Bühler等[28],Burr等[43]测试充分发展区的流速,此时流体的轴向电流近似为零,从而可以基于测得的电势差,通过欧姆定律计算出流向速度.同样地,Messadek[17]用电势探针法也测出同芯母管充分发展段的流速分布.Xu[35]基于接触式电势探针法首次测量了FCI内的速度分布.Ni等[29]通过数值方法验证了Bühler等[28]的压力分布和充分发展区的流速分布,同时分析了突扩区的流动速度分布.Ni等[44]并数值分析了Xu[35]的FCI实验结果.
电势探针法对复杂几何全三维速度的测试有限制,并且由于电极之间的电压信号只有几毫伏,容易受到外部电噪音的干扰,影响测量的准确性.Ni等[29]的数值分析验证了这个结论.德国FZK用电势探针法测量突扩管道内的电势差分布,基于电势探针法原理,其势差分布即为流速分布.Ni等的计算显示(图7):计算所得的电势差分布和测量的电势差分布吻合得非常好,但是计算所得的速度与电势差间存在着较大的差别:其主要原因在于z向电流并不为零.而这正是电势探针法测试磁场作用下金属流体流速分布的局限性.
金属流体在磁场作用下的流速测量的非接触法,目前比较成功的方法有超声波多普勒测速法(UDV:ultrasound doppler velocimetry).利用脉冲超声波回波技术,通过检测流体中分散的微小颗粒反射的回波相位的变化,来测量流体的速度[45,46].传感器发出周期脉冲超声波,并接受被悬浮在液体中的微小颗粒发射的回波,基于运动颗粒的多普勒效应,测出流体的流速.已经利用超声波多普勒测速仪成功地测量了低温液态金属汞的流场[46]、镓的流场[47]和高温金属钠的流场[48].日本和美国正在进行的MHD合作研究项目计划对有流道插件的强迫对流和自然对流流动、传热进行测量,其流速测量就采用超声波多普勒测速仪.中科院研究生院在自然科学基金委项目和科技部ITER专项经费的支持下,正在筹建金属流体在磁场作用下用UDV测量流速的实验台.
4.3 数值模拟
现有的实验结果和理论分析成果对理解MHD机理提供了极为重要的理论依据,也为MHD数值模拟提供了一个很好的验证手段.磁流体力学的实验研究设备昂贵,研究周期长;理论分析仅限于简单几何外形和有限的参数范围.随着计算机科学、计算流体动力学(CFD)的发展,数值模拟在磁约束核聚变液态包层内的流动与传热的分析和研究中发挥着重要的、不可替代的作用.
金属流体的流动、传热及传质,受到强磁场的影响,在电磁力(罗伦兹力)的作用下,其流动特征和温度分布与无磁场作用下的一般流场和温度场有很大的差别,使数值分析工作出现一些特殊的困难,形成了对计算流体力学新的挑战.对金属流体MHD进行直接模拟的主要难点在于缺少精确高效地模拟含有大源项Lorentz力的Navier-Stokes方程计算方法,在多方向强磁场作用下,很难保证计算的精度,同时大源项极大地增加了计算时间.在热核聚变金属包层的热流问题研究中,采用直接数值方法对强磁场作用下的金属流体进行精确数值模拟工作还很少见,这是磁流体动力学流动与传热研究的一个难题.
Sterl[49]在直角均分网格上,对金属流体在磁场作用下的流动进行了直接模拟.均分网格上比较容易获得守恒的电流及精确的数值解,但薄的Hartmann层需要至少3～5个网格,却极大地增加了网格的数量.受计算资源的限制,在Sterl的计算中,对二维问题Hartmann数限制在1000以内,对三维问题则在50以内.数值模拟Hartmann数高达104～105的核聚变包层内的金属磁流体流动及传热,需要非均分网格来提高计算效率.Hartmann数为1×104的情形下,主流区的网格尺寸和Hartmann层的网格尺寸比达1×104,主流区的网格尺寸和侧层的网格尺寸比也高达1000[50].在如此大的网格尺寸比下,如何精确地计算电流密度和电磁力是一个很大的挑战.
在非均分交错网格下,经典的二阶精度格式求得的电势梯度不能保证侧层的解是精确的.为了获得精确的数值解,Leboucher[51]在完全的交错网格上求解MHD方程,压力放在网格中心,速度放在网格面上,而电势则放在网格线的中心.完全交错网格也被用来对湍流MHD进行大涡模拟[52].完全交错网格增加了数值和编程的复杂性,更主要的是它仅局限于简单几何构形和单方向磁场的作用.我们很难将该方法推广到核聚变包层内有多方向作用磁场的MHD流.
欧洲FZK和美国Argonne国家实验室在商用程序CFX基础上,应用非交错网格求解MHD流[53,54].因为求得的电流密度是不守恒的,无法精确地计算罗伦兹力,在Hartmann数1000下的充分发展磁流体流动的解与分析解有很大的差异.采用非守恒格式计算电流及电磁力的商用程序,无法用于对高达1×104到10×104Ha的核聚变包层内MHD流动及传热进行精确的数值模拟,甚至无法用来精确求解Hartmann数为1000的MHD.通过散度理论分析,Ni等[55]将两矢量叉乘的电磁力表示为散度的形式.以散度形式出现在源项的电磁力,可以保证动量守恒.并在非交错网格下,以散度形式的电磁力的表达式为基础,发展了相容守恒格式[50,51,52,53,54,55].该方法简单,有很好的柔韧性,对简单几何和复杂几何形状,在直角网格和一般的非结构网格下均得到很好的验证.均匀磁场下,在Ha高达1×104的流动,计算结果和分析解几乎完全吻合.有强磁场梯度下,对Ha高达6 600的三维圆管内流在非结构网格下进行了直接模拟,获得的压力梯度和三维速度场的分布均与试验结果吻合得很好.该方法可对单方向和多方向磁场下,高HHa热核聚变包层的磁流体动力学进行精确的三维直接模拟.
在流动的主流区,当Hartmann数足够高,当流动是充分发展时,电磁力将被压力梯度平衡.Ni等[50,51,52,53,54,55]发展了求解含有大源项电磁力的N-S方程的相容投影法,可以有效地在压力梯度和电磁力之间建立平衡关系.相容投影法并应用于变密度多相流的计算[58].相容守恒格式及基于相容守恒格式和相容投影法发展的三维非结构网格下的并行计算软件平台HIMAG[50,55,57]已被用来研究和分析与热核聚变包层设计相关的MHD流动[19,57],成为美国磁约束热核聚变反应堆包层热流分析与研究的重要工具.
多物理场的精确、高效耦合算法及软件平台的发展对核聚变包层复杂结构下的流动与传热及传质机理的研究具有很重要的价值.中国科学院研究生院的研究团队正在开展相关研究,进一步发展精确高效的MHD算法及软件平台:在流固界面、多流体界面处,能很好处理电荷守恒问题;非结构混合网格下,高效求解含非均匀分布大热源及大的表面热通量的N-S方程、Maxwell方程、传热与传质方程的强非线性耦合问题;研究突扩管道、磁场梯度对流场及压力分布的影响;研究强磁场作用下液态锂铅包层及流道插件内的流动与传热规律;发展适宜研究MHD不稳定性及湍流直接数值模拟的精确算法.该研究团队最新的数值模拟工作见图8和图9.图8为包层内有无FCI及FCI壁面导电性能参数对包层内MHD压降的影响,结果显示绝缘FCI对减小MHD压降有很好的效果.图9为含绝缘FCI包层在FCI的某一侧壁有开口情形下某截面处流速分布,显示FCI开口处有很小的速度分布.图10为包层内FCI的两Hartmann壁处有对称开口情形下某截面处的速度分布,可清晰看到钢壁和FCI间隙处的M型速度分布,但是FCI内部的速度基本均匀分布,只是Hartmann壁开口处有流速的间断分布.详细的分析及和Xu[35]的实验比较见文献[44].
5 结论
包层是受控热核聚变反应堆的能量转换与传递的关键部件,磁约束热核聚变反应堆液态锂铅包层的研发涉及强磁场及极大热流密度下的强非线性耦合的复杂多物理过程.对相关的磁流体力学和热科学的基础问题做深入的研究关系到包层优化设计及热核聚变反应堆设计的成败,对完善包层设计,提高热核聚变能量转换效率,防止氚渗透,减少压力降,降低材料壁面温度,减少材料腐蚀等具有重要的实际意义.美国、欧盟和日本等均对此类问题作了长期深入的研究.中国作为ITER的重要参与国之一,在相关领域已有很好的研究基础和积累.
受篇幅所限,本文只是简单介绍了液态包层涉及的基本磁流体力学问题及其研究进展.MHD不稳定流及湍流、MHD自然对流等都是非常重要的流动和传热现象,没有加以讨论.同时聚变堆第一壁、等离子体芯部均涉及很多其他关键力学问题.热核聚变堆的研发是典型的多学科交叉大科学工程.正如郭永怀先生1950年代所预见并支持的,力学及工程热物理科学工作者的积极参与,对核聚变堆及聚变能源的研发至关重要.
磁流体力学 篇2
磁流体流动控制在航空工程中的应用与发展
总结了国内外磁流体(MHD)流动控制的研究现状,重点介绍了磁流体流动控制的3个典型实验:调节超音速进气道激波系结构,抑制流体边界层分离,减弱诱导激波强度;对磁流体流动控制机理进行了初步分析,说明放电等离子体能在激励区产生高温等离子体层,由于局部气体高温高压诱导出激波,形成虚拟尖劈,从而改变原有流场结构,施加磁场的.主要用途是对放电电弧施加宏观的洛仑兹体积力,控制电弧运动的方向.最后,总结了磁流体流动控制的优势,并对国内MHD流动控制在航空工程上的应用与发展进行了展望.
作 者：程邦勤 孙权 苏长兵 李益文 喻永贵 作者单位：空军工程大学,工程学院,陕西,西安,710038 刊 名：空军工程大学学报（自然科学版） ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 11(2) 分类号：V211.3 关键词：磁流体 流动控制 高超声速 激波 边界层磁流体力学 篇3
【关键词】磁流体；纳米；稠油；管道输送
1、引言
随着常规原油储量逐渐减少，稠油动用的越来越多。但是由于稠油胶质、沥青质和蜡含量高，造成的高粘性特征，使其在管输过程中产生高阻力。
2、常用的稠油管道常温输送技术
为了经济高效的管输稠油，经常采用掺稀法、乳化法等冷输技术。但是受轻质油来源的限制，此外轻质油添加可能导致沉淀的产生和管道堵塞、以及原油成分组成的不同对油溶比（原油量与溶剂量的比值）的影响，使得掺稀法的应用受到了很大的限制；乳化输送时，水消耗能量巨大，而且长距离管输过程中稠油乳状液的稳定与在炼化前容易破乳的平衡也不易达到，因此目前该技术在稠油管输中应用很少。使用减阻剂和降凝剂输送原油，加量少、使用方便、效果明显、对炼油加工无影响，对于提高管输能力和提高经济效益有很大的作用，但是无法单独实现稠油的常温输送。改性（质）降粘法通过对稠油大分子的降解，化大分子为小分子，可以实现稠油的常温集输。但是该方法对硬件条件要求高，前期投入大，而且原油处理量小，很难选择合适的催化剂，因此无法大规模应用。
3、稠油管输的加热降粘减阻技术
稠油高粘的根源是其体系中的沥青质分子间、胶质分子间以及沥青质和胶质分子间形成了大分子胶束结构。这种胶束结构导致了稠油的高粘度。但是稠油粘度随温度的升高而指数规律下降，所以国内外目前使用最广泛的稠油输送工艺就是加热输送，可以完全实现降低稠油粘度，减少管路摩阻损失，或保持油温在凝点温度以上防止油品在管道内凝结的目的。加热降粘减阻输送大量采用的燃油、燃气或电加热等方式，硬件投入少，但是由于能量转换效率低，经济损耗大。利用微波对稠油加热降粘[1]，具有速度快、污染小，且在一定程度上实现稠油降解的优点，但是由于微波具有选择性加热的特点（微波的加热效果与稠油组分的介电特性有很大关系），因此加热效果不稳定，目前只有实验性的应用。
4、纳米磁流体技术用于稠油管输的设想
4.1纳米磁流体
磁流体又称磁性液体，是由纳米级的铁磁性或超顺磁性微细颗粒借助于表面活性剂稳定地分散于基液中的胶体溶液，是一种新型的液体功能材料。磁流体的制备方法有很多，以共沉淀法应用最为普遍。磁流体具有磁热效应，即当磁场强度改变时，磁流体的温度也随之改变。当磁流体进入较高磁场强度区域时，磁流体被加热；当离开磁场区域时，磁流体即冷却。磁场强度的升高可使磁流体的温度升高。该流体还具有显著的温度特性，即当磁流体的饱和磁化强度随温度的升高而减小，至居里点时，磁性完全消失。温度下降后，磁性可重新恢复。换言之，该流体具有自动的温度控制能力。
4.2纳米磁流体磁热效应的应用
纳米磁流体的磁热效应已成功应用于医学肿瘤的靶向治疗[2]，将温度升高从而加速杀死癌细胞。由于磁热转换效率远远高于燃料燃烧等直接加热的热效率，因此该技术也在稠油的热采中进行了应用，利用纳米磁流体进行稠油开采的专利[3]已经被批准。当磁流体进入交变磁场区域时，磁流体接受的磁能转化成热能，温度升高被加热，并将自身的热量传导到温度较低的稠油中，稠油粘度随着温度的升高而迅速下降，因而流动性大幅增加。
4.3纳米磁流体在稠油管输中的应用设想
4.3.1可行性
在稠油中注入纳米磁流体，通过分段式的设置电磁转换设备将简便易得的交流电转换为交变电磁场，使得地面管道中的纳米磁流体直接加热稠油，实现稠油的减阻输送，这应该是可行的有效途径。
4.3.2需要重点研究的问题
（1）纳米磁流体颗粒材料种类的选择。纳米磁流体颗粒体积微细，分散在稠油中形成机械杂质，因此，磁流体颗粒材料应该选用易于炼油时脱除、不会引起催化剂中毒、不会影响成品油质量的材料。（2）纳米磁流体颗粒直径的选择。王煦漫等[4]的研究显示，不同粒径的四氧化三铁粒子具有不同的产热比功率（单位质量颗粒产生的热量），因此，优选磁流体颗粒的粒径是实现经济高效管输稠油的重要途径。（3）交变磁场的频率与强度的选择。交流电源方便易得，是磁流体产生热量的能量来源，研制或优选电磁转换设备，并确定最优的磁场参数是非常关键的。
5、结语
（1）利用交变磁场作用于纳米磁流体进行稠油的直接加热管输，具有操作方便、可靠性高、适用油品范围广的优点，在经济上和技术上有可行性。（2）对纳米磁流体颗粒种类和粒径以及交变磁场的频率和强度进行优选是纳米磁流体在稠油管输中能否成功应用的关键。
参考文献
[1]王颖.稠油微波加热降粘机理的研究[D].北京：中国科学院电子学研究所，2002.
[2]吕永刚，刘静.基于肿瘤靶向治疗的磁性微/纳米颗粒研究进展[J].纳米材料与结构，2004，9：22-28.
[3]吴永彬，王红庄，蒋有伟等.特稠油及超稠油油藏纳米磁流体吞吐采油方法及井网结构[P].中国专利：201310217176，2013-09-25.
磁流体力学之父——阿尔文 篇4
1 阿尔文生平及其主要学术贡献
阿尔文于1908年5月30日出生于瑞典Norrkoping, 年轻时的阿尔文就已经表现出了对天文学和天体物理学的浓厚兴趣.作为阿尔文最亲密的合作者Carl-Gunne Falthammar曾经说起有两件事情深深影响了阿尔文早期的智力发展和最终的科学生涯[1].第一件是弗拉马里翁 (Camille Flammarion) 的《大众天文学》激起了阿尔文对天文学和天体物理学的兴趣.第二件是阿尔文中学时代在学校的无线电俱乐部十分活跃, 他曾经制造了若干无线电接收器.由此可见阿尔文在电磁学上的天赋在中学时代就已经崭露头角.
Falthammar这样评价阿尔文, “作为一个科学家, 阿尔文倾向于从电磁学角度分析天体物理问题, 这的确是富有成效的方法”.阿尔文一生的主要贡献集中在行星际与磁层物理、磁流体力学、宇宙学等领域.
在阿尔文的早期学术生涯中 (1931∼1941年) , 阿尔文围绕银河系内行星际空间宇宙射线的计量与起源做了大量研究.为了处理带电粒子在电磁场中的复杂运动, 阿尔文首先提出带电粒子引导中心的概念, 为解释宇宙射线, 基于引导中心的概念他提出, 银河系可能存在一大尺度的磁场, 磁场俘获带电的宇宙射线粒子, 使得它们在近似为圆的轨道上运动.即使只有小部分的电离气体存在, 它在磁场中产生的电流足以产生星际磁场.因此, 弱磁场必定充满整个银河系.正是星际的电磁场支配着地球附近发生的现象, 辐射带极光、磁暴及彗尾都因此得到了完美的解释[2,3].然而当时科学界的主流认为星际空间除了“真空”, 什么都不存在, 更不要说磁场了.阿尔文也因此一直得不到科学界的足够重视, 可他从没有放弃, 一直在坚持, 直到1974年人造地球卫星首次观测到星际磁场和地球磁层电流后阿尔文的想法才得到证实.1934年, 阿尔文获得乌普萨拉大学博士学位, 博士学位论文题为“Investigations of the Ultra-short Electromagnetic Waves”, 同年他被任命为乌普萨拉大学物理学讲师.
阿尔文一生中许多最重要的贡献是在他的黄金时期20世纪40∼50年代完成的, 其中阿尔文波的发现开创了磁流体力学的新领域, 堪称科学史上的佳话.阿尔文有着天才般的直觉和敏锐的洞察力, 善于从复杂具体问题中挖掘主要矛盾.阿尔文首先注意到, 当导电流体在磁场中运动时, 会产生感应电流, 感应电流又与磁场反作用于导电流体, 这构成了磁流体力学的基本思想.1942年, 为了解释太阳黑子他首次提出了冻结效应并预言了磁力线与导电流体的耦合将产生一种新的波——阿尔文波[4,5].阿尔文波是存在磁场时导电流体中所特有的一种波动.这种波类似在绷紧的弦中传播的横波, 沿着磁力线方向传播.更准确地说, 阿尔文所预言的这种波是剪切阿尔文波.众所周知根据麦克斯韦的电磁理论, 电磁波在导体中无法传播, 只能渗透导体表面一个原子尺度的量级.当阿尔文提出在导电的等离子体中存在能传播的阿尔文波后, 科学界普遍持怀疑态度.
1948年阿尔文第一次前往美国, 受芝加哥大学邀请做了几场磁流体力学的演讲, 芝加哥大学教授著名物理学家费米 (Enrico Fermi) 在了解阿尔文的工作后, 情况才出现了转机[2].前美国Geophysical Research Letters杂志编辑亚利桑那大学 (University of Arizona) 教授Alex Dessler这样调侃道, 当阿尔文演讲完毕后, 费米点了点头说:“噢, 这种波当然存在”.第二天整个物理学界都说:“噢, 那当然”.之后各种各样的等离子体波才相继被发现.在实验室环境中, 阿尔文波的观测实验最先是阿尔文的学生Lundquist在金属导电流体水银里实现的[6,7].
1942年在阿尔文波提出后, 宇宙学渐渐吸引了阿尔文的兴趣.阿尔文初步提出了太阳系行星形成理论[8].他认为太阳系内的天体都是由一个高度电离的气体云形成的.太阳一形成就有很强的磁场, 其周围的高温电离气体云因冷却而还原成中性态, 并因太阳的引力而下落.当下落的动能超过电离能时, 由于碰撞而再度电离, 并在离太阳一定距离处停止下落.根据各元素的电离电势, 阿尔文算出在离太阳不同距离处先后形成大小不等的4个物质云.太阳系中的行星、卫星都分别由这4个云中的物质凝聚而成.阿尔文的理论成功解释了引力理论所不能解释的为什么太阳系的角动量聚集在行星而不是太阳.虽然目前主流的太阳系形成理论认为相比引力而言, 磁流体力学过程起着非常小的作用, 但是阿尔文的思想对于我们进一步认识太阳系的起源无疑具有十分重要的启发作用.
1950年, 阿尔文总结近20年的磁流体力学研究工作, 出版了《宇宙电动力学》 (Cosmical Electrodynamics) , 该书是现代等离子体物理学的经典著作, 它的出版标志着磁流体力学真正成为现代物理学的一个重要分支, 阿尔文也以“磁流体力学之父”而享誉世界.如今“磁流体力学”已经普遍应用于热核聚变等离子体、实验室等离子体、空间等离子体以及天体物理等离子体中, 成为等离子体物理学的一个重要分支.同年, 阿尔文和同事Herlofson首先指出许多来自宇宙的非热辐射是高能相对论性电子在磁场中运动产生的同步辐射[9], 这又是阿尔文的另一个重要贡献.50年代期间, 阿尔文在推广磁流体力学在宇宙射线、极光、太阳磁场等领域的应用做了大量的完善与总结工作[10,11,12], 为磁流体力学的发展与应用做出了许多卓有成效的贡献, 是当之无愧的“磁流体力学之父”.
自20世纪40年代起太阳系起源逐渐吸引了阿尔文的兴趣, 60年代后阿尔文的主要研究领域已经基本集中在宇宙学与太阳系起源等问题上.阿尔文致力于从基本的物理学规律出发研究问题, 倾向于从电磁角度分析天体物理问题, 对于太阳系的起源同样如此.阿尔文曾公开反对宇宙大爆炸理论, 他明确表示:“等离子体知识对于我们理解太阳系的起源与演化也是很重要的, 因为我们有充分理由相信, 现在构成天体的物质曾经是以等离子体状态分布着的.”在研究太阳系起源与演化问题中阿尔文秉承对称性的基本原理, 从宇宙的正物质与反物质量相等出发构建他的宇宙体系.1966年出版的《世界与反世界:宇宙中的反物质》 (Worlds-Antiworlds:Antimatter in Cosmology) 一书集中体现了他对物理学美感的执着追求.与Arrhenius合著有一系列关于太阳系起源的论文, 1975年出版了《太阳系结构与演化史》 (Structure and Evolutionary History of the Solar System) 一书, 是其多年研究成果的总结.
阿尔文是一位向往和平的科学家.最初, 他支持开发原子能, 为人类造福, 但后来他逐渐认为, 不仅是核武器, 就是“和平”利用原子能都是不可接受的, 此后, 他一直参加反核武器运动.他曾经建议瑞典政府永远不要使用当时正在建造的核反应堆, 而用传统燃料驱动那座核反应堆的涡轮机.在同瑞典政府发生多次意见分歧后, 1967年阿尔文做出了艰难的决定, 选择了离开.他如是写到, “My work is no longer desired in this country”.他马上收到了前苏联和美国抛来的橄榄枝, 在前苏联渡过两个月后, 他最后来到了美国, 任职于加州大学圣第亚哥分校和南加州大学.随后他对自己心爱的祖国做出了妥协, 每年仍定期回斯德哥尔摩的皇家工程学院进行研究工作.
1995年4月2日, 阿尔文于斯德哥尔摩逝世, 享年86岁, 长眠于他深深热爱的祖国.为了纪念阿尔文的杰出贡献, 第1778号小行星被命名为“阿尔文”.
2 阿尔文留给后人的启示
阿尔文的一生, 曲折中充满辉煌, 平淡中充满传奇.可以说在1970年获得诺贝尔物理学奖之前, 虽然科学界同行普遍引用其工作, 于阿尔文本人却鲜有认识.这其中的原因值得我们深思.在阿尔文的早期学术生涯中, 由于阿尔文思想超前, 他的许多观点都被主流科学界所排斥, 使得他的许多重要贡献不得不发表在非主流杂志上.比如他和当时的地球物理学界权威Chapman之间关于地球极光和磁暴的形成的争论, 使得他长期得不到重视.难能可贵的是, 即使如此, 阿尔文初心不改、持之以恒, 以他的行动捍卫着真理之光.直到Chapman逝世4年后的1974年, 人造地球卫星才观测到地球磁场中向下运动的电流, 最终证实了阿尔文的观点.
阿尔文毕生都保持着对等离子体物理学的浓厚兴趣, 有着深刻的洞察力和敏锐的物理直觉, 而且始终坚持从物理学基本原理出发研究问题, 阿尔文本人将他的这种科学品质归因于童年时代的经历.在科学研究中物理直觉也许不是最重要的, 但绝对不可缺少.正是这种敏锐直觉引导阿尔文发现了磁流体力学波, 开创了磁流体力学的新领域.然而在提出阿尔文波后的近十年中, 阿尔文却饱受来自科学界的各种压力, 有人甚至写信嘲讽.直到物理学界的权威费米在了解阿尔文的工作后, 同行们才开始重视阿尔文的发现.对于科学界的同行评审制度, 无疑阿尔文是受害者之一, 其中的弊利可见一斑.
功夫不负有心人, 阿尔文晚年时得到了科学界的极大肯定和无数荣誉, 包括英国皇家天文学会金质奖章 (1967) 、诺贝尔物理学奖 (1970) 、美国富兰克林研究所富兰克林奖章 (1971) 、前苏联科学院罗蒙诺索夫奖章 (1971) .他还是欧洲物理学会、瑞典皇家科学院、美国艺术与科学学院、前苏联国家科学院、美国国家科学院会员.
成名之后阿尔文并没有离开学术, 一直致力于从磁流体力学角度出发发展他早期的太阳系演化理论, 虽然主流天文学界认为磁流体力学过程在大尺度的宇宙演化问题上是不重要的, 他仍孤军奋战, 同其合作者完成了长篇巨著《太阳系的结构和演化史》, 为我们提供了一幅独特的物理图景, 也许在不远的将来, 科学的发展将证明阿尔文的视角是正确的.
同其他科学大师一样, 阿尔文的一生生活在争论中.阿尔文的生活并没有受到影响, 他拥有一个温馨的大家庭;阿尔文性格幽默、兴趣广泛、如同他在科学界中的创新一般充满活力、热爱旅游与冒险;他还广泛涉猎科学史、东方哲学、宗教等领域, 并且通晓瑞典语、英语、德语、法语、俄语, 还会讲一些西班牙语和汉语.科学不仅是一门学问, 也应该是一种生活, 或许真正的生活才是真正的科学研究.正如T.G.Cowling在《宇宙电动力学》出版之际所评价的那样“阿尔文是斯德哥尔摩的电气工程师”, 真实写照了阿尔文辉煌的一生.
摘要：阿尔文以他深刻的洞察力和敏锐的物理直觉改变了我们对宇宙的传统看法, 他一系列开创性的工作使得磁流体力学真正成为现代物理学的一个重要分支.简单介绍了阿尔文的主要学术成就以及学术遭遇, 并对其辉煌成就、学术遭遇背后可能的原因做了简要分析.
关键词：等离子体物理学,磁流体力学,阿尔文
参考文献
[1] Falthammar CG.The discovery of magnetohydrodanamic waves.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007, 69 (14) :1604-1608
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[3] Alfv′en H.On the motion of cosmic rays in interstellar.Physical Review, 1939, 55 (5) :425-429
[4] Alfv′en H.Existence of electromagnetic–hydrodynamic waves.Nature, 1942, 150 (3805) :405-406
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[6] Lundquist S.Experimental demonstration of magnetohydrodynamic waves.Nature, 1949, 164 (4160) :145-146
[7] Lundquist S.Experimental investigations of magnetohydrodynamic waves.Physical Review, 1949, 76 (12) :1805-1809
[8] Alfv′en H.On the cosmogony of the solar system.Stockholms Observatoriums Annaler, 1942, 14 (2) :1-33
[9] Alfv′en H, Herlofson N.Cosmic radiation and radio stars.Physical Review, 1950, 78 (5) :616
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[11] Alfv′en H, Martyn DF.The theory of magnetic stroms and aurorae.Nature, 1951, 167 (4259) :984-985
磁流体力学 篇5
用磁流变液的阻尼器叫磁流变阻尼器。磁流变液阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置,其结构简单、响应速度快、动态范围宽、阻尼力大且连续可调、耐久性好。因此,磁流变液阻尼器是磁流变液工程应用的重要领域。
描述和预测磁流变液的剪应力,对磁流变装置的设计至关重要。建立较为精确并且易于计算的阻尼器动力学模型是阻尼器对结构取得好的控制效果的关键因素之一,也是磁流变阻尼器模型的控制仿真分析具有较高可信度的有力保障。许多专家学者进行了这方面的研究,并提出了不同的计算模型。然而,由于磁流变液的力学性能受到外加磁场,位移幅值等诸多因素的影响,其动态本构关系非常复杂,这给精确建立磁流变阻尼器动力学模型带来了很大的困难。目前还没有大家一致公认的磁流变阻尼器力学计算模型。
1磁流变阻尼器动力学模型研究
1.1Bingham模型
根据磁流变体的Bingham伪静力模型,Stanway[4]等提出了理想化的力学模型,它由一个库仑摩擦力和粘滞阻尼器组成,一般简称为Bingham模型。这是最常用的磁流变阻尼器的阻尼力模型,与伪静力模型形式极为相似。
F=fcsgn(x)+c0x+f (1)
式中,c0表示粘滞阻尼系数;f0为由于补偿器的存在而产生的力,可忽略;fc表示库仑阻尼力,与磁流变液的屈服应力有关;
Bingham模型能够较好的模拟阻尼力-位移响应,却不能很好的拟合力-速度的非线性响应,尤其是在速度很小并且位移和速度同向的情况下。但Bingham模型形式简单,物理概念明确,易于理解,所以有较大的实用价值。
1.2Herschel-Bulkley模型
为了能够准确地描述在高速和强的磁场输入情况下的阻尼器行为,Herschel和Bulkley提出了一种粘塑性模型来描述这种现象,即Herschel-Bulkley模型[5]。该模型将磁流变阻尼器在流变过程中产生的剪切稀化现象考虑进去。
=(0(H)+K|γ|n)sgn(γ) (2)
其中,n是流体行为指数,K是MR流体粘度指数
η=K|γ|n-1 (3)
Herschel-Bulkley剪切模型可以看作是Bingham模型的一种修正,它用剪切应变率指数模型来代替Bingham模型的常量屈服后粘性特性。当n<1时,等效粘度η随着剪切应变率γ的增大而变小。当n>1时,等效粘度η随着剪切应变率γ的增大而增大。当n=1时,Herschel-Bulkley模型就退化成Bingham模型。
1.3非线性双粘性模型
为解决Bingham模型不能描述磁流变液在低速时的剪切行为的问题,文献[6]用一个有三段的分段函数来描述磁流变阻尼器的双粘性特征。非线性双粘性模型假定在屈服前和屈服后磁流变液都是塑性的,但是屈服前的阻尼系数要比屈服后的阻尼系数大得多。阻尼力计算式为
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式(4)中,Cpo为屈服后阻尼系数;Cpr为屈服前阻尼系数;xy为屈服速度;fy为xy对应的屈服力。该模型函数中的系数是通过实验数据来确定的,由于低速剪切流动范围很窄,并且实验数据容易受到外部因素的影响,因此很难确定个参数。
1.4修正的Bingham模型
考虑到磁流变液应力应变存在屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段的本构关系,周强[7]等人通过实验修正了Bingham模型,其数学形式如式(5)所示。它由库仑摩擦单元与粘滞单元并联,再与弹簧单元串联组成。
F(t)=fysgn(e1)+c0e1-f0=
Kd(e2-e1)-f0 (5)
式中,c0为粘滞阻尼系数;e1为Bingham单元位移;Kd为磁流变阻尼器的等效轴向刚度;e2为阻尼器的总位移;f0为由于蓄能器引起的阻尼器输出力的偏差。
1.5非线性滞回双粘性模型
滞后特性是磁流变阻尼器的一个很重要的特性。由于Bingham模型不能描述阻尼器的滞后特性,1998年Wereley提出了非线性滞回双粘性模型[8],数学表达式如式(6)所示。
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该模型用一个有六段的分段函数来表示,有4个参数,复杂程度显著增加。由于其复杂性,且不光滑,因此不常用。该模型可以描述出非线性力-位移和力-速度特性,但不能拟合试验中磁流变阻尼器在低速时的恢复力衰减现象。
1.6Bingham粘-弹塑性模型
Bingham模型、非线性双粘性模型和非线性双粘性滞回模型都只能分段连续地表示非线性特性。Gamoto等人在Bingham模型的基础上,提出了参数化的粘-弹塑性模型[9]。该模型是由在Bingham模型的基础上串联一个标准形式的线性固体组成,数学表达式为:
F=k1(x2-x1)+c1(x2-x1)+f0=
c0x1+fcsgn(x1)+f0=k2(x3-x2)+f0,|F|>fc (7)
F=k1(x2-x1)+c1x2+f0=
k2(x3-x2)+f0,|F|≤fc (8)
式中,c0为与Bingham模型相关的阻尼系数;k1,k2和c1与线性固体材料有关。
此模型的优点是简单,意思明确,但用了两个绝对值函数,这增加了数学上的困难。
1.7Bouc-Wen模型
为解决非线性滞回双粘性模型曲线不光滑的缺点,很多学者提出用一些具有光滑过渡曲线的模型来拟合实验结果,Bouc-Wen模型[10]就是其中的一种。该模型由于其数字上易于处理、通用性强,所以应用非常广泛。该模型的数学表达式由下式给出。
F=c0x+k0x+αz (9)
z=-γ|x|z|z|n-1-βx|z|n+Ax (10)
式中,x为磁流变阻尼器活塞杆与缸体的相对速度,c0为阻尼系数,A是由控制系统和磁流变液决定的系数。通过调整参数γ,β和A值,可以控制卸载时力-速度曲线的线性性状和屈服前到屈服后渐变段的圆滑性。该模型能够比Bingham模型更为准确地反映磁流变阻尼器在低速时的非线性性能,力与位移关系和耗能性能。但是,它是基于实验数据建立起来的模型,缺乏统一性而且复杂,不易于实际工程应用,只适合实验研究和理论计算。
1.8修正的Bouc-Wen模型
文献[11]提出了修正的Bouc-Wen模型。该模型认为磁流变阻尼器产生的阻尼力是粘滞力和Bouc-Wen滞变阻尼力之和。该模型的数学表达式为:
F=c0x+αz (11)
z=-γ|x|z|z|n-1-βx|z|n+Ax (12)
式中,c0为阻尼系数;α参数是电流的函数,且α随电流的增加而增加。此模型形式简单,物理概念清楚,数值准确,能够描述阻尼器低速时的非线性性能、力与位移关系和耗能性能。但随着激励频率的变化,阻尼器的力-位移曲线也将发生变化,这同磁流变阻尼器的力-位移曲线不随频率变化的实际性能是不符合的。
1.9修正的Dahl模型
采用Bingham模型不能很好地模拟力-速度的非线性响应,尤其是速度很小且位移与速度同向时。为解决这个问题,周强和瞿伟廉提出了修正的Dahl模型[7],其阻尼力的表达式为
F=k0x+c0x+fdz-f0 (13)
滞后量z由式(12)决定:z=σx[1-zsgn(x)] (14)
式中,k0为刚度系数;c0为粘滞阻尼系数;fd为可调库仑摩擦力,其大小与电流强度有关;f0为初始力;σ为控制滞回曲线形状参数。
修正的Dahl模型可以很容易的克服Bingham模型的不足之处,同时采用Dahl模型来模拟库仑摩擦力,克服了常用的Bouc-Wen模型需要确定的参数过多的缺点。
1.10现象模型
Spencer等提出了现象模型[12],其数学表达式是:
F=c1y+k1(x-x0) (15)
c1y=αz+k0(x-y)+c0(x-y) (16)
z是Bouc-Wen滞变位移:
z=-γ|x-y|z|z|n-1-β(x-y)|z|n+A(x-y) (17)
式中,k1为补偿刚度;c0为速度较大时的粘滞阻尼系数;c1为黏性元件,用来产生力-速度关系中低速时的衰减;k0为高速时的控制刚度;x0为弹簧k1的初始位移;γ,A和n是调节阻尼器非线性滞回环形状的参数。
该模型能很好的反映磁流变阻尼器的动态性能,与实验结果较吻合,且比较灵活。它对于描述减震器阻尼力的性能无论是简谐振动还是一般震动都比较准确。但是其参数比较多,在应用优化方法确定参数数值时容易发散。并且增加了两个微分方程来描述其滞后特征,增加了数学上的困难,不便工程应用。
1.11修正的现象模型
为了考虑惯性效应和剪切稀化效应,Yang G等人在现象模型的基础上引入了一个质量单元,提出来修正的现象模型[13],其数学表达式为:
F=αz+kx+c(x)x+mx+f0 (18)
z为估计变量:
z=-γ|x|z|z|n-1-β|x|z|n+Ax (19)
式中,m为磁流变液静态阻力和惯性效应的等效质量;k反映补偿器刚度和磁流变液的可压缩性;f0为密封圈和尺寸偏差引起的阻尼器摩擦力;c(x)为磁流变液屈服后阻尼系数。
该模型能很好的拟合磁流变阻尼器的特性,包括低速时的阻尼力衰减现象、速度方向改变时阻尼力溢出以及极限速度时的两个顺时针方向的滞回环。
1.12非线性滞回模型
为了表示磁流变液屈服前的非刚体特性和磁流变阻尼器的非线性滞回特性,翁建生假定在屈服前为非线性塑性流体,屈服后为线性粘性流体,通过实验对上行和下行两条单值性曲线的非线性回归分析,得出了一种非线性滞回模型[14],其数学表达式如下:
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式中,f0为偏置力;cpo1,cpo2为屈服后的粘性系数;fy1,fy2为极限屈服力;x01,x02为阻尼力为零时阻尼器的速度;k1,k2为形状系数。
此模型避免了修正的Dahl模型和Bouc-Wen模型参数过多的缺点。但是该模型是专门对某一型号结构尺寸的阻尼器通过实验数据得出的,当结构尺寸变化时,此模型就不再适用,因此该模型通用性不好。
1.13Sigmoid模型
磁流变阻尼器的库仑阻尼力与速度的非线性关系,可以用图所示的曲线表示。可以看出该曲线近似符合Sigmoid函数的表达式,因此,可以将库仑阻尼力表示为[15]:
FC=Fm(1-e-βv)/(1+e-βv) (21)
式中,Fm为最大屈服力;β为指系数,β>0;Fm和β是电流和振幅的系数;v是速度。
将粘滞阻尼力加入,可得:
FC=Fm(1-e-βv)/(1+e-βv)+C0v (22)
Sigmoid模型在精度上不如Bouc-Wen模型,但是Sigmoid模型需要确定的参数很少,除了易于确定的粘滞阻尼系数C0和屈服力Fm外,仅有一个参数β需要确定。另外,该模型表达式简单,易于程序化,并且能很好地模拟阻尼器的力-位移关系和力-速度关系。
1.14带质量元素的温度唯象模型
磁流变阻尼器在工作过程中,将耗散的能量转化为磁流变体的热能,从而使磁流变液的温度升高,导致其力学性能发生变化,影响阻尼器的性能。为了考虑这一影响,徐赵东基于流体能量守恒原理提出了磁流变阻尼器的温度唯象模型[16]。该模型的数学表达式为:
F=f(T)(c(u)u+mu)+αz (23)
z=-γ|u|z|z|n-1-βu|z|n+Au (24)
式中,f(T)和c(u)由下式确定:
f(T)=exp[αt1(273/T)2+αt2(273/T)+αt3] (25)
c(u)=αc1exp(-αc2|u|)p (26)
式中,F和u分别是磁流变阻尼器的阻尼力和位移;f(T)为由温度引起的影响系数;T为温度;c(u)为考虑低速时的力衰减和磁流变液静摩擦粘滞现象的阻尼力项;Z为滞变位移;m为考虑磁流变体惯性效应的等效质量;α,β,γ,n,A,αc1,αc2,αt1,αt2,αt3均由实验确定。
1.15多项式模型
韩国学者Choi[17]提出了多项式模型。该模型把阻尼器滞回环曲线分为两部分:正加速度曲线和负加速度曲线,然后用活塞的速度值分别对上下两曲线进行多项式拟合,其表达式可用下式表示:
undefined
ai=bi+ciI,i=0,1,…,6 (28)
式中,ai是根据实验对曲线拟合的多项式系数;v是活塞速度;I是输入电流。
多项式模型是对阻尼力的实验数据用活塞的速度和电流来曲线拟合。对多项式阶数的选取依赖于实验和误差,实验证明只有当高于五阶时才能很好的拟合阻尼力的滞回特性。
1.16神经网络模型
由于磁流变阻尼器所固有的高度非线性动特性,使得描述其阻尼力-输入电压关系的逆向动特性的数学模型很难得到。人工神经网络高度的鲁棒性和自学习能力为研究这一问题提供了新的手段。廖昌荣[18]利用神经网络技术建立磁流变阻尼器的神经网络模型来模拟其动力学特性。该模型采用1个隐含层可以实现3个输入、1个输出的映射关系,所设计的神经网络的隐含节点数为7。
MR阻尼器神经网络模型中的激活函数的选择必须满足连续、单调增加、有界三个条件。文献[18]采用S型函数作为隐含层得激活函数,线性函数作为输出层得激活函数。
这种模型对控制极为有利,但该模型依赖于特定的平台,普适性差。
1.17非线性参数模型
禹见达等根据磁流变阻尼器的加载实验结果,提出了非线性参数模型[19]。该模型是由Bingham单元(库仑摩擦单元与非线性粘性单元并联)、质量单元及非线性弹性单元串联而成的,其数学表达式为:
F|t|=c|x1-x2|αsgn(x1)+fysgn(x1)+mx1=k|x2-x0|βsgn(x2-x0)+mx1,|F(t)-mx1|≥fy (30)
F(t)=k|x2-x0|βsgn(x2-x0)+mx1,
|F(t)-mx1|≤fy (31)
式中,m为附加质量;k为阻尼器轴向刚度系数;c为阻尼系数;α和β分别描述阻尼力与速度和位移之间的非线性关系;x1为活塞杆的加速度;x0为活塞杆的位移x1达到极值时的x2值;fy为磁流变阻尼器的可控库仑阻尼力;
非线性参数模型中各单元均具有明确的物理意义,结构形式简单。在低速情况下,非线性参数模型比Bingham模型、粘弹-塑性模型和修正的Bingham模型对阻尼力的描述更准确,并且对阻尼力的预测不受激振频率和振幅的影响。另外,相比较于现象模型,非线性参数模型的参数少,易于识别。
2磁流变阻尼器动力学模型研究中存在的问题
建立较为准确的磁流变阻尼器动力学模型是设计控制策略和获得良好控制效果的关键技术之一。国内外许多专家学者在这方面做了大量的工作,提出了很多动力学模型。但是,这些模型多是针对某一型号的磁流变阻尼器在一定条件下多次实验,然后根据实验结果对实验曲线进行曲线拟合而得到的相应的参数模型。这样的模型对磁流变阻尼器的动力学特性的描述各有侧重点,普适性不好,如Bingham粘塑性模型能较好地描述磁流变减振器阻尼器的时域特性及阻尼力与位移的关系特性,但无法表示在速度较小的区域内阻尼力与速度的滞回关系;Bouc-Wen模型能够最好地描述磁流变阻尼器的动力学特性,不但能反应阻尼力与速度的的滞回关系,且通用性强,但Bouc-Wen模型待定参数过多,难于求取其逆函数。
磁流变阻尼器的力学性能受到外加磁场、位移幅值和激励频率等因素的影响,其动态阻尼力呈现强的非线性和不可预测性。因此,如何综合影响动力特性的各种因素,建立可以描述其各种特性的具有普适性的动力学模型,是取得良好控制效果的关键。
3展望
目前,国内对磁流变技术的研究主要集中在器件设计和材料研发方面。但是,要研发出高性能的磁流变器件,就必须对其动力学特性进行深入细致的研究。因此,除了需要不断完善实验手段外,还需要对磁流变液的微观机理和行为描述做更深入的研究。现阶段,动力学模型的理论研究虽取得了很大的进展,但是由于其流变机理的复杂性和影响因素的多样性,目前的动力学模型还不能非常准确地描述其特性。所以,亟待深化理论研究,促进磁流变技术更为成熟的发展。
摘要：概述了磁流变缓冲器动力学模型的研究状况,详细描述了各个动力学模型,并对各种模型进行对比分析,提出了进一步要解决的问题。认为建立具有普适性的动力学模型,是磁流变阻尼器取得良好控制效果的关键。
磁流体力学 篇6
磁流变弹性体 (Magnetorheological elastomer, MRE) 是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料, 它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制, 具有无需密封、性能稳定、控制简便、响应迅速等特点, 因此其在航空航天、舰船、振动控制等领域具有广阔的应用前景[1,2,3,4]。磁流变弹性体作为一种新兴的智能材料, 现在还没有统一的制备方法, 而使用不同工艺制成的材料在磁流变效应上的差距会很大, 一般其制备方式可简单分为有场制备与无场制备, 与无场制备下的磁流变弹性体相比, 呈链状结构的磁流变弹性体一般具有更高的磁流变效应和磁致模量变化[5,6,7,8]。
评价磁流变弹性体性能的重要指标是其磁控性能, 因此针对不同工作模式下磁流变弹性体的性能研究是一个不可忽略的问题, 只有搭建相应的性能测试系统才能做出正确的评价。
笔者首先研究和设计了制备磁流变弹性体的不同加磁方式, 通过理论分析及软件仿真比较了不同制备磁路的优劣, 最终采用有导磁结构的永磁铁加磁方式制备了磁流变弹性体材料。根据单自由度原理设计和搭建了磁流变弹性体力学性能的测试系统, 对实验原理进行了理论分析, 推导了磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数的计算方法, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。
1 磁流变弹性体的制备
1.1 制备材料的选择
磁流变弹性体主要由铁磁性颗粒、弹性基体及添加剂组成。铁磁性颗粒的尺寸及种类对磁流变弹性体的性能都有着较大的影响, 一般选择髙磁导率、髙磁饱和强度、低剩磁的软磁性颗粒;基体材料自身不具有磁性, 只是作为填充颗粒的载体, 其选择原则为低粘度、低磁导率, 弹性基体可分为软基体和硬基体, 硬基体材料固化后硬度大但是弹性模量变化范围小, 而软基体材料力学性能较差但是其磁流变效应高;添加剂在磁流变弹性体的制备中有着重要的影响, 可用于调节基体粘度, 提高基体柔韧性以及降低颗粒在基体中的运动阻力, 按照作用可以分为表面改性剂、增塑剂、交联补强剂和防老化剂等。目前许多学者对材料的选择做了不同的研究[9,10,11,12]。
本实验选择直径为5~10μm级别的球形羰基铁粉作为材料的填充颗粒, 其具有矫顽力低、磁化率高、饱和磁感应强度高、稳定性好、磁损耗低等特点, 基体材料为室温可固化硅橡胶, 添加剂为硅油。
1.2 制备磁路的设计
磁流变弹性体在制备方式上可以分为有场制备和无场制备, 有场制备下的磁流变弹性体可称为各向异性磁流变弹性体, 而无场制备下的磁流变弹性体称为各向同性磁流变弹性体。无场制备下的磁性颗粒随机分布于基体材料中, 而有场制备条件下的磁性颗粒在磁场作用下排成链状, 固化结束后, 链状结构保留在橡胶基体中;有场制备下的磁流变弹性体一般具有更高的磁流变效应和磁致模量变化。设计最优的材料固化磁路对材料的性能有着重要的影响[13,14,15]。
1.2.1 线圈加磁
本研究设计了一种简单的线圈加磁结构, 其磁路主要由铁芯、导磁装置及磁流变弹性体组成, 对应的结构简图及等效磁路如图1、图2所示, 其中等效磁路图中F为总磁势, N为线圈匝数, I为励磁电流, Rm1~Rm8为对应材料的磁阻。根据磁阻计算[16]及磁饱和分析最终确定所使用线圈的匝数为1250匝, 对应磁流变弹性体处的磁场取值为0.653~0.698T, 而磁流变弹性体的磁饱和强度一般为0.7T左右, 因此该结构符合设计要求。
1.2.2 永磁铁加磁
根据模具的大小及所需磁场值设计了用磁铁提供磁场的结构, 并对直接用永磁铁加磁及使用附加导磁回路加磁进行了仿真比较, 其对应的等效结构、磁感应强度及磁力线分布如图3及图4所示。从仿真结果可以看出, 使用永磁铁加磁的结构相对简单, 且消耗小。采用合适的附加导磁回路可大大提高磁流变弹性体处的磁场强度, 且磁力线基本在整个导磁回路中, 磁力线分布更加均匀, 充分运用了磁能量, 磁流变弹性体在制备时受到更加均匀的磁场, 磁流变弹性体整体性能也更加均和, 并且当磁场不足以达到需求值时, 该结构还可以通过在回路的铁架上缠绕线圈来调节磁场的大小。
使用电磁线圈提供磁场的主要优势是磁场大小可调且磁场比较稳定, 但是硅橡胶软基体的固化时间较长, 一般室温固化需24h左右, 使用线圈加磁结构, 线圈长时间通电产生大量热量, 因此需附加必要的冷却装置, 并且需要专门人员看护以防止出现断电等意外现象, 而使用有导磁结构的磁铁加磁方式明显优于直接用永磁铁进行加磁, 故最终选择附加导磁回路的永磁铁加磁方式为磁流变弹性体固化提供磁场, 其制备实物如图5所示。对磁流变弹性体性能进行测试时, 该结构也可以作为提供变化磁场的供磁装置。
1.3 制备过程
为了研究不同磁性颗粒含量对磁流变弹性体材料的性能影响, 制备了不同混合比例 (质量分数, %) 的磁流变弹性体材料, 如表1所示。磁流变弹性体的制备过程如下:将硅油与硅橡胶按照对应比例混合搅拌约10min后, 加入铁粉混合搅拌约20min, 使3种材料充分均匀混合。然后将混合材料放入真空桶中除气泡, 除气泡时遵循多次抽气的原则, 除完气泡后将材料倒入成型模具中, 封闭模具时需给材料施加适当的预紧力, 使材料在模具中均匀散开。然后将模具置于如图5所示的制备磁场中固化1~2天, 最终制备出的材料实物如图6所示。
2 磁流变弹性体的力学性能研究
目前磁流变弹性体的力学性能测试方法可大致分为以下5种: (1) 基于动态测量仪及流变仪等测量仪器进行直接测量; (2) 分析对磁流变弹性体瞬态激励后自由衰减特性得到剪切储能模量和阻尼比; (3) 利用万能测试机建立动态压缩测试系统, 得到磁流变弹性体的刚度与损耗因子值; (4) 得到磁流变弹性体器件的传递函数来衡量磁控性能; (5) 制作三明治式梁, 在外磁场作用下分析悬臂梁的频率特性得到磁流变弹性体的储能模量与损耗因子值[17,18,19]。
本实验利用磁流变弹性体和一个集中质量块组成一个单自由度系统, 搭建了如图7所示的力学性能测试系统, 导磁装置上可缠绕线圈用以提供可变化的磁场。计算机安装的LabVIEW软件自身可产生正弦信号, 该信号通过功率放大器放大后传输到激振器, 激振器给磁流变弹性体质量块单元提供激励信号, 最终使用LabVIEW软件对采集到的经电荷放大器放大后的初始激励信号及最终响应信号进行频谱分析, 得到系统对应的传递函数, 而传递函数可反映磁流变弹性体的动态力学性能。接下来根据分析传递函数的相频特性和幅频特性, 可以计算得到反映磁流变弹性体力学性能的一些参数。
磁流变弹性体动力学模型如图8所示, 其中k1代表零场下的刚度, k2代表随着磁场变化的刚度, c代表材料的阻尼。
设初始激励信号为正弦信号, 表示为:
系统运动方程为:
而阻尼比刚度k=mwn2, 则系统运动方程可转化为:
对应的传递函数为:
转换为频率域下的传递函数为:
然后根据得到的传递函数的幅频特性及相频特性可计算得到不同频率域下的刚度K与损耗因子η。而刚度K与剪切模量G存在如下关系:
因此可得到不同频率下材料的剪切模量G (其中A为接触面积, h为样品厚度) 。根据刚度相对变化量可衡量样品的磁流变效应, 刚度变化量可由式 (7) 表示:
3 结论
(1) 设计了不同的加磁结构, 并对其进行了理论计算和软件仿真, 结果表明, 对于使用线圈加磁装置当使用合适的线圈匝数时可以给材料提供所需的磁场值, 而使用永磁铁加磁时有导磁装置产生的磁场大小明显大于直接用永磁铁加磁, 并且磁力线几乎无扩散地均匀通过磁流变弹性体材料, 这样不仅很好地运用了磁能量, 而且磁流变弹性体的性能也更加均和。
(2) 利用单自由度测试原理设计了测试磁流变弹性体力学性能的测试系统, 通过理论分析可获得磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。
摘要：研究和设计了不同的制备磁路用于制备磁流变弹性体材料, 结果表明使用线圈加磁装置可产生可调的磁场, 而使用永磁铁加磁时, 有导磁装置产生的磁场明显大于直接用永磁铁加磁, 并且磁力线几乎无扩散, 很好地运用了磁能量。并根据单自由度原理搭建了磁流变弹性体的力学性能测试平台, 通过理论分析和推导, 得到了磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数的计算方法, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。
磁流体力学 篇7
谐波齿轮传动是五十年代中后期随着空间技术的发展而产生的一种新型传动技术, 谐波齿轮传动由刚轮、柔轮以及波发生器组成, 基于其传动比大、传动精度高等优点, 广泛地应用于各行各业中。要实现高精度谐波齿轮传动, 其柔轮和刚轮都要采用磨齿工艺。文章主要以柔轮为例提出了一种磨齿新方法, 对提高谐波齿轮传动的精度有着非常重要的意义。
2 现有磨齿工艺简介[1,2]
磨齿是一种精加工方法, 可以消除齿轮热处理后的变形, 提高齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度, 大幅度提高齿轮的精度, 现有的磨齿工艺主要分为成形法和展成法。成形法磨齿需将砂轮切削部分修整成与被加工齿轮齿槽相同的形状进行磨齿, 展成法则采用啮合切削原理进行磨齿。虽然两者的磨齿原理不同, 但都利用高速旋转的砂轮进行磨齿, 对于如柔轮这样的多齿小模数齿轮而言, 砂轮修整复杂, 现有的磨齿方法就成为了一种限制, 导致柔轮磨齿效率较低。文章以磨削柔轮轮齿为例, 介绍了一种新磨齿方法———磁流体磨齿方法。
3 磁流体研磨技术简介[3,4,5]
磁流体是英国于1965 年开发的, 是一种由极微细的纳米级的磁性微粒高度分散到载液中形成的一种稳定的胶状液体。该液体即具有液体的流动性, 又具有磁性材料的磁性, 在无外加磁场时具有良好的流动性, 只有在磁场作用下才表现出磁性, 是一种非常智能的材料。磁流体所具有的超顺磁性、磁光效应、磁热效应、粘磁特性以及流变性使得磁流体广泛地应用于机械、化工等多个领域。
磁流体研磨利用其流动性以及在外磁场作用下的磁性来保持磨料与工件之间产生相对运动而达到研磨的目的。基于磁流体流变性的特点, 其可研磨各种材料任何形状的曲面, 所以将磁流体应用到柔轮轮齿的磨削当中, 是对现有磨齿技术的一种突破。
磁流体研磨是由80 年代初期日本率先发展起来的, 磁流体研磨方法分为磁悬浮法和磁堆积法。磁悬浮法是在磁流体中混合一定比例的磨料, 磨料呈悬浮状态分布在磁流体中, 工件待加工表面浸在混合液中, 在外部磁场的作用下, 磁浮力使磨料紧贴在工件表面进行研磨, 这种方法主要用于陶瓷球轴承的研磨。磁堆积法是将磁流体与磨料的混合液调成稠状的胶状液体, 在外磁场的作用下, 混合液中的磨粒直接堆积在待加工表面, 工件运动而磨粒不动, 两者发生相对运动从而进行细微的冲击、刮削, 达到研磨加工的目的。[6]
4 磁流体柔轮磨齿方法介绍
由于柔轮轮齿是复杂的曲面, 不能直接采用上述两种方法进行研磨, 文章将磁堆积法与成形法相结合, 利用磁流体的流变性对柔轮进行磨齿。
1-曲柄滑杆机构, 2-环形磁铁, 3-密封壳体, 4-柔轮, 5-支撑架, 6-O型密封圈
如图1 所示为磁流体研磨柔轮轮齿装置简图, 在未安装环形磁铁2 时, 将一定量的液体状磁流体和磨料混合的胶状混合液自密封壳体3 上的开孔注入柔轮轮齿的齿槽内, 使混合液均匀的分布在每一个齿槽内, 注入完毕后, 密封该开孔, 密封壳体与轮齿紧密贴合, 同时两者之间加上O型密封圈6, 防止混合液流出。由于在无外磁场的作用下, 磁流体不显磁性, 从而沉淀在齿槽上, 当安装上环形磁铁时, 立即产生外磁场, 环形磁铁与密封壳体紧密贴合, 且宽度较小, 混合液受外磁场的作用, 迅速聚拢, 将磁铁下的轮齿间的整个空隙填满, 形成一个和柔轮轮齿齿形相同的固体状“小砂轮”, 且每个轮齿齿槽内均有一个“小砂轮”, 其厚度应与磁铁的宽度相同。曲柄滑杆机构1 带动环形磁铁在柔轮齿圈长度方向上往复运动, 而柔轮4 与支撑架5 用螺钉连接, 支撑架5 固定, 从而使柔轮固定不动, 环形磁铁的运动带动混合液所形成的“小砂轮”在沿着轮齿齿槽方向上来回往复运动, 从而使柔轮与混合液产生相对运动, 达到研磨的目的。每个齿槽内的“小砂轮”同时随着环形磁铁的运动而运动, 提高了磨齿精度。当研磨完成后, 拆掉环形磁铁, 混合液立即呈现液体的流动性, 将其清理出柔轮齿槽即可。
同理, 对于具有内齿圈的刚轮的磨齿, 将密封壳体以及环形磁铁装入齿轮内部即可。
5 磁流体磨齿的意义
随着科学技术的不断发展, 磨齿工艺的不断完善, 使得齿轮的传动精度也在不断地提高, 然而在譬如柔轮和刚轮这样的多齿小模数齿轮而言, 现有的磨齿工艺依然存在困难。随着智能材料的不断发展, 也让我们意识到, 磨齿可以不仅仅拘泥于砂轮, 还可以存在其他的研磨方式。现有的磨齿工艺中, 砂轮的形状不能随意改变, 而磁流体磨齿中形成的“小砂轮”可随齿形的改变而改变, 具有可塑性, 整个齿圈同步磨齿, 不需要分度装置, 相比成形法单个齿依次的磨齿, 简化了装置, 提高了磨齿效率。同时该装置相对磨齿机来说相对简单, 安装以及拆卸都很方便。同时, 该方法对于其他比较特殊的齿轮同样适用。当然, 磁流体磨齿还有很多亟待解决的问题, 需要不断探索。
摘要：文章简单介绍了现有的磨齿工艺、磁流体的性质以及其在研磨领域中的应用。针对谐波齿轮中的柔轮和刚轮这种多齿小模数齿轮, 在成形磨齿法以及磁堆积研磨法的基础上, 提出了一种新的磨齿方法。
关键词：柔轮,磁流体,磨齿
参考文献
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磁流体力学 篇8
1 磁流体的制备
目前制备Fe3O4磁流体的方法很多, 如工艺较为成熟的共沉淀法, 研究比较多的溶胶-凝胶法、水热合成法等, 下面将对各种方法的研究进展进行论述。
1.1 化学共沉淀法
向含有一种以上的阳离子的溶液中添加沉淀剂, 将所有的阳离子都沉淀出来的方法叫做共沉淀法。化学共沉淀法是目前制备Fe3O4颗粒最常用的方法之一, 该方法是以Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O基本原理进行的, 通常是将Fe2+和Fe3+溶液以一定的比例混合, 在一定p H值和温度下, 加入沉淀剂, 形成不溶性的水合氧化物从溶液中析出, 然后加入表面活性剂, 提高颗粒的分散性。成本低廉、操作简单、易于大规模生产的共沉淀法被广泛的采用。但此方法, 容易产生团聚而发生沉降, 导致溶液磁响应性和稳定性下降。为了制备出粒径均一, 磁相应性强且性能稳定的磁流体, 武汉理工大学化学工程学院徐海星等对工艺进行了优化, 通过对磁流体进行表征。结果表明, 所制备的磁流体具有超顺磁性, 粒径约为16nm, 饱和磁化强度在73.8emu/g以上。总的来说, 化学共沉淀法反应条件温和、操作简单的共沉淀法, 极易推广和实现, 是制备磁流体的主要方法。
1.2 溶胶-凝胶法 (sol-gel)
溶胶-凝胶法是将金属有机或无机化合物经溶液制成溶胶, 在一定条件下 (如加热) 脱水, 使具有流动性的溶胶逐渐变稠, 成为略显弹性的固体凝胶。这种方法能够比较严格地区分晶体结晶成核和生长, 避免晶粒在生长过程中的大量聚沉现象, 从而获得单分散的纳米颗粒。溶胶-凝胶法的优点是能够保证严格控制化学计量比, 制备过程产物纯度高、能耗相对较低、分散性好、粒径均匀等优点, 因而得到了广泛的应用。但其所用原料多为有机物, 尤其是其金属醇盐毒性较大, 且价格昂贵, 而且其产量受到限制且成本较高。东南大学分子与生物分子电子学教育部重点实验室周洁等在水溶液体系中用溶胶凝胶的方法通过改变各反应物的浓度制备不同尺寸的Fe3O4磁性颗粒。
1.3 水热合成法
水热合成法是在密闭容器中, 以水为介质在高温高压下反应合成物质, 然后进行分离和热处理得到纳米微粒。水热反应是在高温高压条件下进行的, 因而能够促进水解反应的进行, 水作为溶剂也会参加反应, 既是膨化促进剂也是压力传递介质。纳米Fe3O4的磁性取决于它的尺寸和形状, 因此控制颗粒的形状尺寸就显得非常重要。采用水热法制备的单晶结晶度高, 高结晶度的纳米Fe3O4的合成通常采用水热法。上海理工大学理学院李文烈等采用水热法制备出水基Fe3O4@PFR磁性纳米流体, 对其进行表征。结果表明, 在室温下表现超顺磁性, Fe3O4@PFR磁性纳米流体具有很好的稳定性和生物相容性。水热合成法容易制得结晶度高的单分散超顺磁性纳米颗粒, 但是该方法受表面活性剂的影响比较大, 且水热合成法的成本也比较高。
1.4 其他方法
除了以上几种常用的制备方法外, 人们还研究开发了一些其他制备Fe3O4磁流体的方法, 如微乳液法、相转移法、有机模板法, 回流法等。随着研究的进一步深入, 将会出现更多新颖的Fe3O4磁流体的制备方法。
2 磁流体的应用
2.1 密封技术
由于磁流体既有流动性又具有磁性, 可在磁场作用下移动, 并能固定于某个特定的位置, 因此在一些特殊的密封和润滑过程中, Fe3O4磁流体有着不可取代的作用。兰州理工大学磁物理与磁技术研究所娄磊等介绍了离心泵旋转轴的磁流体密封技术, 结果表明:随磁流体量的增加和磁极极数的增多而提高, 但当磁流体量超过临界值和极数超过5极后, 磁流体密封的承压能力保持在某一恒定值。
2.2 污水处理
随着工业化的快速发展, 随之带来的水污染越来越严重, 特别是水体中的金属离子、难降解有机污染物等, 处理后不易分离, 如果采用磁性的吸附材料就能比较容易地进行分离。东华理工大学应用化学系刘峰等采用共沉淀法制备了粒径为10nm的Fe3O4磁性微粒, 用此磁流体对模拟与实际废水中的Cr (Ⅵ) 进行了吸附研究。结果表明, 在最佳实验条件下, 磁流体对实际废水中Cr (Ⅵ) 的饱和吸附量达66.5mg/g, 废水中残留Cr (Ⅵ) 浓度为0.2mg/L, 低于工业废水排放的国家标准 (0.5mg/L) 。
2.3 磁热疗
热疗是利用超顺磁性Fe3O4纳米晶能有效将磁场振动能转化为热能这一特点, 从而升高肿瘤组织的温度来杀死病变细胞。昆明医学院第一附属医院生物治疗中心王露芳等观察磁流体在交变磁场中的升温行为并探讨其作为热疗介质应用于小鼠胰腺癌细胞的热疗效应。结果表明:肿瘤治疗用磁流体可以在交变磁场中产热, 通过改变磁流体浓度可进行温度控制。
3 结语
由于纳米Fe3O4颗粒粒径较小, 比表面积大, 且本身又具有磁性, 容易发生团聚, 这一直是Fe3O4磁流体制备过程中存在的最大问题。随着我国对合成新材料的迫切需求, 对纳米Fe3O4磁流体的开发提出了更高的要求, 如何制备粒径可控且分布均匀的磁性纳米Fe3O4微粒依然是今后研究的热点与重点;同时, 纳米Fe3O4磁流体的应用性研究也极为重要。
摘要：本文综述了近年来Fe3O4磁流体的制备方法, 如化学共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成法等研究进展, 并比较了各种方法的特点;同时, 对Fe3O4磁流体在密封技术、污水处理以及磁热疗等方面的应用及发展趋势进行了论述, 以期待对Fe3O4磁流体的制备及应用有较全面的了解。