磁流体力学 magnetohydrodynamics

研究磁场与导电流体相互作用的学科。导电流体指具有导电性能的气体或液体。

导电气体中最主要的是等离子体，即准电中性的电离气体，被称作物质的第四态。导电液体包括液态金属、电解液、海水和血液等。导电流体的电性参数见表。

起源发展

1831年，英国科学家M.法拉第发现电磁感应现象。次年，他首先提出一个磁流体力学问题，即运动的海水切割地球磁场会产生感应电动势，希望通过测量泰晤士河两岸的电位差，换算出河水的流速来，但没有成功。

1937年，丹麦科学家J.F.哈特曼以水银为工质，成功进行了磁流体管道流实验，病从理论上求解了这个问题，二者符合较好。

20世纪40年代，瑞典科学家H.阿尔文提出磁场中运动的理想导电流体具有磁冻结现象，以及发现磁流体波——阿尔文波。当时经典电动力学和流体力学发展已很完善，由此就建立了磁流体力学。

20世纪后半叶，磁流体力学的快速发展是和人类在三个方面的需求密切相关的。

一是探索新能源。1950年前后，美国和苏联想开发海水中的氘作为新的核聚变燃料，开展了受控热核反应的实验研究。1954年，苏联建立了第一个环流器（托卡马克，俄文原意是电流最大）。磁约束装置环流器的研究比较充分，主要物理规律已经掌握，从1987年开始，进入了国际合作开发聚变反应堆的工程阶段。

二是人类探测外层空间的需求。地球以外的空间中，等离子体和磁场普遍存在，磁流体力学可广泛应用。自1957年苏联发射人造地球卫星以来，用卫星、飞船等探测外层空间的活动日益增多。日地空间科学的研究中，建立了空间物理学这门学科。20世纪40年代迅速发展的射电天文学，促使人们研究天体等离子体的各种辐射机制，并且形成了等离子体天体物理学。

三是工程技术的需求。如磁流体发电、等离子体化工、冶金技术，以及等离子体技术在材料制造、机械加工、宇航、核技术、电力工业、纺织工业等方面的应用，也有力地促进了磁流体力学的发展。

研究方法

分为理论方法、实验方法和观测方法。

理论方法

一般分为两步。第一步，建立模型给出方程组。第二步，结合具体问题的条件、边界条件和初始条件，用解析方法或数值方法求解，或进行数值模拟。

磁流体力学建立的模型首先是连续介质模型。尽管导电气体或液体是由分子和原子组成的，分子和原子之间有一定距离，从微观看是不连续的，但从宏观尺度看，分子、原子间的距离相对很小，可把流体近似当作是连续的。

允许采用连续介质模型的条件有：分子平均自由程远小于问题的特征尺度；分子碰撞时间远小于问题的特征时间等。

其次，在连续介质模型之下，还可根据问题的实际情况，建立起下一级的模型，并给出相应的方程组。如果导电流体名个组元的温度都相同，则可建立单流体模型；如果不同组元的温度相差很多，则必须建立多组元流体模型。

此外，还可根据温度的高低，建立冷等离子体模型、热等离子休模型；而有强磁场存在时，等离子体会显示出各向异性，因此要建立各向异性模型。由于方程组是非线性的，方程的数目很多，求解十分困难。通常采用的办法是，对于一些比较简单的问题用解析方法给出定性的结果；对较复杂的问题则用数值方法给出定量的结果。

最后应当提到，宏观连续介质模型的基本方程是把等离子体动力论的基本方程，福克尔一普朗克方程通过取不同函数的平均值，先导出零阶、一阶、二阶等的矩方程、再做一些假定，得到最后形式的方程。因此，可以说宏观磁流体力学模型是建立在微观的带电粒子统计物理学基础之上的。

实验方法

以研究核聚变反应的环流器为例。首先，通过感应放电．将电容器中的电能用来加热轮胎形容器中稀薄的氘、氚气体，加热到K的量级并形成等离子体。

同时，为防止等离子体熄灭，叠加一个强磁场在等离子体外，隔开等离子体与器壁，即所谓磁约束。再用一些辅助加热方法，如中性束注入及电流驱动等，使等离子体进一步加热到K的量级。加热过程中逐渐产生和加强核

反应。用各种诊断仪器测量等离子体的温度、密度、电流、电压、电场、磁场、中子产额等参数，给出核反应进程的信息。

观测方法

用地面仪器或发射卫星、飞船到空间，对宇宙或空间等离子体的参数、电磁场参数或粒子的参数等进行测量。

研究内容

理论方法中，磁流体力学是电磁流体力学的一种近似。电流体力学连续介质模型的单流体（各向同性）模型的基本方程包括两类方程。

一类是在电磁场作用下支配导电流体运动的方程，有状态方程、质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，以及在电磁场作用下支配导电流体中电荷与电流运动的方程，有（广义）欧姆定律、电荷守恒方程。

另一类是在导电流体中电荷与电流作用下支配电磁场运动的方程，有表达库仑定律、磁通守恒定律、安培定律和法拉第感应定律的方程，或者称为麦克斯韦方程组。

磁流体力学基本方程是电磁流体力学基本方程在以下三个条件下的近似，即导电流体的运动是低速、低频的，导电流体是准电中性的。

低速是指与光速相比，流体运动速度小。低频是指与导电流体的某个特征频率相比，流体的运动频率低，运动是缓变的。这个特征频率可是导电流体的电导率除以电容率。准电中性是指单位体积内的正电荷数目与负电荷数目很相近，二者之差与正（或负）电荷数目相比很小，可忽略电场力。但磁流体力学中，电场能影响电流密度的大小，因此，是不可忽略的。

利用磁流体力学基本方程可研究两类问题：一类是磁流休静力学，即导电流体速度为零，磁场力与导电流体的压力梯度相平衡，研究平衡时的磁场位形、热力学参数分布以及平衡的稳定性等。

另一类是磁流体动力学，研究的问题有磁流体波动，流体激波和各种间断面，导电流体在管道和容器内的内部流动，以及导电流体绕磁化物休的外部流动，磁流体流动不稳定性，磁流体湍流等。

这些问题的研究均与各种实际问题密切相关。如管道流的研究是磁流体发电、电磁泵、电推进等所需要的，静平衡和稳定性的研究是环流器和天体物理学所不可少的；激波的研究则是因为超声速的太阳风流动绕过地球时，在地球前方形成了一个磁流体激波——弓形激波，研究这类激波有助于认识太阳风现象。

应用领域

可控热核反应的研究很多国家都有自己的计划和实验装置。另一方面，从1987年起开始进行国际合作，共同设计、建造国际热核试验堆(ITER)。参加国有欧盟、美国、俄罗斯、中国、印度、韩国和日本。1988～1990年完成ITER的概念设计，1992～2001年完成工程设计。2003年2月，中国申请并参加了ITER组织，成为一个新成员国。

ITER反应堆已于2006年开工，预计2013、2014年建成，运行20年。21世纪可望解决热核反应堆的运转问题。海水中的氘就成为人类几乎取之不尽的燃料，每升海水中含氘30亳克，其聚变能相当于300升汽油的热值。据报道，1千克氘的价格仅为300美元。

等离子体天体物理学的研究，近年来集中在空间物理学。国际间密切合作。早在20世纪90年代，国际间就有“国际日地物理计划"(ISTP)，把太阳和地球作为一个整体，发射多颗卫星进行探测。

欧洲空间局于2000年成功发射“Cluster II”四颗卫星，探测地球空间。中国与欧洲空间局签订协议，合作探测地球空间，并实施“双星计划”，于2003年12月和2004年7月先后发射两颗卫星。中国的两颗卫星分别环绕地球赤道与南北极，与"Cluster II”一起，对地球空间实行六点同时探测。这是人类历史上第一次。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年