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2017年12月12日 星期二

丁酉(鸡)年十月廿五

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铁磁流体力学 - 正文 [回目录]

  研究铁磁性流体在外磁场和温度梯度作用下的流动和传热过程的一门新兴学科。铁磁流体是把经过表面活性剂处理过的超细铁磁粒子均匀分散在流体载体中而构成的混合液。为使其中的铁磁粒子在重力、离心力(见相对运动)和强磁场长期作用下不凝聚、不沉淀,铁磁粒子的直径应小于15纳米,表面活性剂厚度和粒子直径之比应不小于0.2,粒子的数密度约为1017~1018厘米-3。这样就可把铁磁流体看作连续介质。按流体载体的导电性能,铁磁流体可分为导电的(流体载体为水银、镓合金等等)和不导电的(流体载体为水、煤油、碳氢化合物、氟化碳等等)两种。
  铁磁流体的性质取决于铁磁粒子的磁特性和流体载体的物理特性。与通常固体铁磁体不同,铁磁流体具有超顺磁性:有外加磁场时,立即显示强磁性;去掉外加磁场时,则整体去磁。铁磁流体的磁化强度M(表征介质磁性“强度”的一种尺度)随外加磁场强度H的增加而增大,并趋向饱和磁化强度MS(图1)。在一定外加磁场下,铁磁流体的磁化强度与铁磁粒子的体积浓度成正比。无外加磁场时,铁磁流体的动力粘性系数μH同铁磁粒子的浓度有关。有外加磁场时,其动力粘性系数随场强增加而增大,并趋向某一定值,其中平行于流动方向v的磁场所引起的粘性系数增值大于垂直于流动方向的磁场所引起的粘性系数增值(图2)。


  早在18世纪下半叶,英国自然哲学家G.奈特在磁学研究中就意识到铁磁流体的重要性和应用的可能性。他试图将铁粉撒入水中制取铁磁流体,但未成功。20世纪60年代初,S.S.帕佩耳和R.E.罗森斯韦克等明确提出铁磁流体力学理论。帕佩耳首先把铁磁流体用于在失重条件下控制燃料的注入。由于人工制备铁磁流体获得成功,铁磁流体的应用迅速向各科技领域渗透,铁磁流体力学的理论和实验研究才取得进展。
  基本方程组
 铁磁流体力学基本方程组和普通流体力学基本方程组比较,有两点不同:运动方程须加磁力效应项;能量方程须加磁热效应项。此外,还需引入静磁学方程,便可构成描述铁磁流体的基本方程组(见流体力学基本方程组)。
  铁磁流体中的磁力来自其中的铁磁粒子,这些粒子受到磁力作用有相对于流体滑移的趋势,从而带动整个流体运动。磁矩为M的铁磁流体在磁场强度H作用下,每单位体积的磁力为μe0(M·墷)H (μe0为真空磁导率),这就是磁力效应的修正项。铁磁流体的流动不是绝热的。磁场变化时,铁磁流体中的铁磁粒子被加热,导致流体温度的变化,磁场变化越大,温度变化也越大,此即磁热效应。  
  在均匀磁场中的无粘性不可压缩铁磁流体,其温度均匀分布,流体元的磁化强度与外加磁场方向一致。对于这种铁磁流体在重力影响下的定常无旋流动,其基本方程可大为简化。积分它的运动方程后,可得到铁磁流体力学的广义伯努利方程(见伯努利定理):

铁磁流体力学

式中p为压力;v为流速;ρ为流体密度;g为重力加速度;z为垂直向上的坐标;C为常数。广义伯努利方程是铁磁流体许多技术应用的基础。
  应用 目前大致可分为四个方面:
  ①遥控定位 利用作用在铁磁流体上的力定位和控制物体。因铁磁流体有磁力效应,故可用电磁铁或永久磁铁遥控定位内含铁磁粒子的润滑剂或阻尼液体。这种效应可用在动力密封轴承和阻尼器等方面。这是铁磁流体技术应用最广的方面。
  ②分离物质 利用作用在铁磁流体中物体上的力分离比重不同的物质。磁场对铁磁流体的压力分布有强烈影响。如果磁场强度发生变化,则铁磁流体中的压力分布也发生变化,其效果就相当于改变铁磁流体的表观比重,使浸没在其中的比重不同的物体或沉或浮。比重差分离装置就是基于这种原理制成的。有些国家已用这种设备从矿渣、炉渣和废料中分离出各种有色金属及其他有用物质。
  ③制造特殊墨水 铁磁流体是强磁化的流体,这种流体介质易于流动,对磁场特别敏感,因此用铁磁流体制成的特殊墨水,可用来印刷文字、描绘曲线和图形,并可望取代现行电子计算机的读出装置。
  ④进行能量转换 利用磁对流现象可把热能转换成机械能。在封闭系统的一端加热,铁磁流体温度升高,磁化强度减小,产生不平衡磁体力,导致磁对流。磁热管、磁热泵和磁热发电都是基于这个原理。
  参考书目
 J.L.Neuringer and R.E.Rosensweig,Ferrohydrody-namics,The Physics of Fluids,vol.7,No.12,p.1927,1964.
 R.Kaiser and G.Miskolezy,Magnetic Properties of  StableDispersion  of  Subdomain Magnetic Particles,Journal of Applied Physics,vol.41,No 3,p.1064,1970.
 下飯坂潤三著,磁性流体,《日本金属学会会报》,第15卷,No.2,p.77, 1976。

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更新时间 : 2009-04-20

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