铁磁流体力学

[拼音]:tieci liuti lixue

[英文]:ferrohydrodynamics

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奈米,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。按流体载体的导电效能,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。

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)。

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):

式中p为压力;v为流速;ρ为流体密度;g为重力加速度;z为垂直向上的座标;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。有些国家已用这种装置从矿渣、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.

下饭坂润三著,磁性流体,《日本金属学会会报》,第15卷,No.2,p.77, 1976。

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