data/attachment/portal/201111/06/092923z6zi9n33gsacs2gc.jpg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，包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流。磁流体力学将等离子体作为连续介质处理，要求其特征尺度远远大于粒子的平均自由程、特征时间远远大于粒子的平均碰撞时间，不需考虑单个粒子的运动。由于磁流体力学只关心流体元的平均效果，因此是一种近似描述的方法，能够解释等离子体中的大多数现象，广泛应用于等离子体物理学的研究。更精确的描述方法是考虑粒子速度分布函数的动理学理论。磁流体力学的基本方程是流体力学中的纳维-斯托克斯方程和电动力学中的麦克斯韦方程组。磁流体力学是由瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文创立的，阿尔文因此获得1970年的诺贝尔物理学奖。
目录
简介
基础
简史
研究方法
研究内容
应用
湍流
二流体模型
磁张力与磁压力
磁扩散与磁冻结
参考书目
参考资料
简介
磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用下静平衡的问题；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。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。
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（见等离子体发生器）。
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开到受控热核反应的几亿开量级（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。
基础
磁流体力学以流体力学和电动力学为基础﹐把流场方程和电磁场方程联立起来﹐引进了许多新的特徵过程﹐因而内容十分丰富。宇宙磁流体力学更有其特色。首先﹐它所研究的对象的特徵长度一般来说是非常大的﹐因而电感的作用远远大于电阻的作用。其次﹐其有效时间非常久﹐所以由电磁原因引起的某些作用力纵然不大﹐却能产生重大效应。磁流体力学大体上可以和流体力学平行地进行研究﹐但因磁场的存在也具有自己的特点﹕在磁流体静力学中的平衡方程﹐和流体静力学相比﹐增加了磁应力部分﹐这就是产?旁际?母?荨Ｔ硕?г诖帕魈辶ρе杏兄?煌?暮?濠o它研究磁场的“运动”﹐即在介质流动下磁场的演变。与正压流体中的涡旋相似﹐磁场的变化也是由对流和扩散两种作用引起的。如果流体是理想导体﹐磁力线则冻结在流体上﹐即在同一磁力线上的质点恒在同一磁力线上﹐如果电导率是有限的﹐则磁场还要扩散。两种作用的强弱取决于磁雷诺数4πUL/c(c为光速﹐为电导率﹐U和L分别为问题的特徵速度和特徵长度)的大小。研究流动如何产生和维持天体中磁流发电机制(见太阳平均磁流发电机机制)﹐目前大多是以运动学为基础的。
简史
1832年M.法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。1937年J.F.哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动（即哈特曼流动）的理论计算方法。1940～1948年H.阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的"引导中心"理论（见等离子体动力学）、磁冻结定理、磁流体动力学波（即阿尔文波）和太阳黑子理论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。1950年S.伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束方法就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。然而，磁约束不易稳定，所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。1951年,伦德奎斯特给出一个稳定性判据,这个课题的研究至今仍很活跃。此外，1950年，N.赫罗夫森和范德胡斯特论证了有三种扰动波（即阿尔文波、快磁声波和慢磁声波）存在。
研究方法
等离子体的密度范围很宽。对于极其稀薄的等离子体，粒子间的碰撞和集体效应可以忽略，可采用单粒子轨道理论研究等离子体在磁场中的运动。对于稠密等离子体，粒子间的碰撞起主要作用，研究这种等离子体在磁场中的运动有两种方法。一是统计力学方法，即所谓等离子体动力论，它从微观出发，把气体当作正、负粒子和中性粒子的混合物，并考虑粒子之间的相互碰撞影响，用统计方法研究等离子体在磁场中的宏观运动；一是连续介质力学方法即磁流体力学，把等离子体当作连续介质（见连续介质假设）来研究它在磁场中的运动。等离子体动力论对等离子体作最基本的描述，分析深刻，而磁流体力学则是它的一种宏观近似，所以用等离子体动力论能判断磁流体力学处理实际问题的有效性。此外，等离子体动力论还可用来计算磁流体力学中的一切输运系数（如扩散、粘性、热传导和电阻系数等）并讨论它们的物理机制。但这种方法的数学分析很困难，故在处理实际问题时，应用磁流体力学比较方便，而输运系数则由实验测定或用等离子体动力学分析计算。对无碰撞的等离子体,有时也可应用流体动力学方法,例如流体粒子的无规运动速度比宏观速度小得多，即压力和温度可以忽略时，可用冷等离子体模型和方程处理等离子体在电磁场中的运动。固态等离子体和冷等离子体的模型很近似。尽管可以应用上述较简单的磁流体力学理论解决实际问题，但在稀薄气体的某些场合下，只有动力论的描述才是恰当的。例如平衡等离子体中的电子等离子体振荡所受的阻尼（即朗道阻尼）问题，是不可能用磁流体力学模型描述的，必须用动力论方法才能解决。
磁流体力学是在非导电流体力学的基础上研究导电流体中流场和磁场的相互作用的。进行这种研究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组，包括考虑介质运动的电动力学方程组和考虑电磁场作用的流体力学方程组。电动力学方程组包含电导率、电容率、磁导率；流体力学方程组包含粘性系数、热导率、气体比热等物理参量。它们有时是常数，有时是其他量的函数。
磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，造成求解困难。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。因此，在利用磁流体力学基本方程组来解决种种实际问题时，可在实验或观测的基础上，建立表征研究对象主要实质的物理模型来简化基本方程组。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，从而得到有实用价值的解。磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数(见哈特曼流动)、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。早期是用水银进行实验，但水银在磁场中运动时只呈现出不可压缩流体现象，而等离子体处于高温状态，现象复杂，带来许多有待研究的诊断问题（见等离子体诊断）。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。
研究内容
首先是建立磁流体力学基本方程组，其次是用这个方程组来解决各种问题。后者主要包括：
①忽略磁场力对流体的作用，单独考虑理想导电流体运动对磁场影响的问题，或流体静止时，流体电阻对磁场影响的问题，其中包括磁冻结和磁扩散（见磁流体力学基本方程组）。
②通过磁场力来考察磁场对静止导电流体或理想导电流体的约束机制。这个问题是磁流体静力学的研究范畴，对受控热核反应十分重要。磁流体静力学在天体物理中，例如在研究太阳黑子的平衡、日珥的支撑、星际间无作用力场等问题中也很重要。
③研究磁场力对导电流体定常运动的影响。方程的非线性使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。对于一般的磁流体动力学流动虽然都有相应的研究,但仅少数有精确解,如哈特曼流动、库埃特流动等。它们虽然是简化情况的解，然而清晰地阐明了基本的流动规律，利用这些规律至少可以定性地讨论更复杂的磁流体动力学流动。
④研究磁流体动力学波，包括小扰动波、有限振幅波和激波。了解等离子体中波（磁流体动力学波是其中一部分）的传播规律，就可以探测等离子体的某些性质。此外，激波理论在电磁激波管、天体物理和地球物理上都有重要的应用。
应用
磁流体力学主要应用于三个方面：天体物理、受控热核反应和工业。
天体物理、太阳物理和地球物理方面
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。
受控热核反应方面
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1014秒／厘米3(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。
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置的热效率，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附近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。此外，电磁流量计、电磁制动、电磁轴承（见润滑理论、电磁激波管等也是磁流体力学在工业上应用所取得的成就。
关于低温等离子体技术，见等离子体的工业应用。
湍流
带磁导电流体中的湍流。当与磁场垂直方向的流体运动不足以克服磁场的张力时，只在平行于磁场的流体中才有湍流发生。只有流体运动的平均动能密度与磁能密度量级相同时，各向同性的磁流体力学湍流才能发展。流体的动能和磁能在磁流体力学湍流的最后阶段，以粘滞和焦耳损耗方式转变为分子热能。这和无碰撞等离子体不同,后者在其发展和衰变阶段,可由粒子-波、波-波的交互作用（见等离子体天体物理学），经过被加速粒子的逃逸和电磁波的辐射把能量散出。湍流的存在，使带磁导电流体的平均运动增加了动态摩擦的因素。充分发展的磁流体力学湍流所产生的动态摩擦，远远大于分子热运动所引起的粘滞效应。天体物理观测证明，磁流体力学湍流是普遍存在的。例如，太阳对流层、致密星的吸积盘、星系中的气盘、超新星遗迹所代表的激波波阵面后的区域、太阳风等，都有磁流体力学湍流发生。
二流体模型
实际情况中等离子体往往是两种或者两种以上成分组成的流体，描述它们的方程组特别复杂，求解十分困难。一般情况下可以认为高度电离的等离子体是由电子流体和离子流体两种成分组成的，等离子体的二流体模型或者双流体模型研究它们各自的动力学方程，并且考虑它们之间的耦合。在电子和离子每种组分里，达到平衡时的麦克斯韦速度分布所需要的时间远远小于电子和离子之间发生热交换的特征时间，因此在这种近似下，电子和离子可以认为是各自独立运动的，二者之间的碰撞导致了等离子体电阻。
磁张力与磁压力
将麦克斯韦方程组中的代入洛仑兹力可得:上式右边第一项反映了大小为，沿着磁感线方向的磁张力，第二项反映了大小为，各向同性的磁压力，其效果是压缩等离子体。因此，作用于某流体质元的磁力等效于磁张力与磁压力的和。
磁扩散与磁冻结
在磁流体力学中，等离子体可以看作是良导体，磁感应方程为：:其中，叫做磁粘滞系数或者磁扩散系数。如果磁雷诺数，则磁感应方程退化为扩散方程的形式:此时等离子体会表现出磁扩散效应，磁场从强度大的区域向强度小的区域发生扩散。
如果磁雷诺数，或者流体的电导率，则磁感应方程退化为冻结方程：:此时等离子体会表现出磁冻结效应，磁感线如同粘附在流体质元上，随流体一起运动。
参考书目
V.C.A.FerraroandC.Plumpton,IntroductiontoMagneto-fluidMechanics,OxfordUniv.Press,London,1961.
T.J.M.博伊德、J.J.桑德森著，戴世强、陆志云译：《等离子体动力学》,科学出版社，北京，1977。(T.J.M.BoydandJ.J.Sanderson，PlasmaDynamics,Nelson,London,1969.)
M.MitchnerandC.H.KrugerJr.，PartiallyIonizedGases,JohnWiley&Sons,NewYork,1973.
Shih-IPai,Magnetogasdynamics,andPlasmaDynamics,Springer-Verlag,Vienna,1961.
参考资料
1http://www.pep.com.cn/czwl/czwljszx/czwlbwg/czwlxs/wlxsjj/200406/t20040620_89775.htm.