导电流体通常指等离子体、液态金属、水和血液等。等离子体被称作是物质的第四态,包括自然界等离子体与实验室等离子体。液态金属包括自然界的水银,地核物质等,以及工业应用中的熔化金属。
1832年法拉第最早提出的磁流体力学问题是: 泰晤士河水切割地磁磁力线产生电动势,能否通过测量两岸的电位差来估算河水的流速结果未获成功。以后,工程师们提出过电磁泵的想法。地球物理学家提出过“发电机作用” 来解释地球磁场的起源。天体物理学家Cowling,Ferraro开始探讨磁流体力学理论,Hartmann进行过简单的磁流体力学实验。1942年,瑞典工程师和天体物理学家H。Alfven提出了Magneto-hydrodynamics(MHD) 这个学科名,以及提出“磁冻结”概念,讨论“磁冻结”流动特点,发现Alfven波,这些标志着这门学科的建立。
近几十年,磁流体力学这门学科的迅猛发展是和以下三个领域的发展密切相关的。
1)地球物理,日地空间物理和天体物理。
在地球大气层以外到处是等离子体,磁场也普遍存在。因此,到处存在磁流体力学问题。第二次世界大战以后射电天文学的兴起,出现了以等离子体理论为基础的天体物理学,大大改变了长期以来以光学望远镜观测为主的,以原子理论为基础的天体物理学。1957年人造卫星上天以后,用卫星、飞船带上观测仪器对日地空间、太阳、宇宙的考察,
发现了很多新现象,形成了很多新学科。其中磁流体力学内容占有很大比重。如日冕物理、太阳风物理、地核内的流体运动和磁层物理就是如此。
2)受控核聚变反应。
50年代初,美国、前苏联开始探索新能源。人们很快发现,几乎所有磁约束装置都有一个共同难题: 磁流体力学不稳定性。几十年后的今天,在被认为研究得最充分的磁约束装置环流器上,破裂不稳定性仍未最后弄清楚,尽管人们可以采取一系列措施来大大减少破裂的发生。其余的问题见后。
3)等离子体技术,冶金工业等工程技术。
以冶金工业为例。在连续铸造中用电磁力对熔化金属进行搅拌,可以提高产品质量。目前,电磁搅拌器这项新技术已被广泛采用;而电磁搅拌器的研究内容是标准的磁流体力学问题。
建议今后着重研究以下磁流体力学问题:
1)导电流体的流动稳定性与湍流,特别是强磁场下流动稳定性与二维湍流的研究。
2)非线性有限电阻不稳定性,特别是破裂不稳定性与磁场重联的研究。
3)发电机理论的进一步研究,如过程中R-T不稳定性的研究,含气泡物质上升与水平散开动力学过程的研究。
4)磁流体力学激波结构,进化性与稳定性。
5)聚变堆和混合堆的研究,强磁场下MHD管道流减小电磁阻力与增强传热的研究,MHD液态金属自由面流动的研究,MHD直接发电等。
6)冶金技术的研究。磁悬浮冶炼,电磁结晶器,用电磁力控制流量,粉末冶金中电磁雾化等。 2.4.3 爆炸力学
爆炸力学是研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科。
我国早在8世纪中唐时期已有火药配方,10世纪宋初即已制作火箭火炮,17世纪明代宋应星阐明火药爆炸形成冲击波的现象。1867年诺贝尔发明硝化甘油,19世纪末和20世纪初建立了描述冲击波跃变的Rankine-Hugoniot关系以及描述自持爆轰的Chapman-Jouget理论,第二次世界大战期间,G.I. Taylor,J. von Neumann,Л.И. Седов等结合常规武器和原子武器的研制在高速冲击力学、爆炸产物状态方程、爆轰理论、空中和水下爆炸理论、点源强爆炸理论等方面取得重要进展,初步形成了爆炸力学这门学科。战后,动武器、核武器和激光武器
的效应和防护的研究,固体中击波合成新材料,惯性约束聚变,爆炸加工,爆破技术等方面的研究进一步推动爆炸力学的发展,成为由下面三个密切相关的部分 构成的体系,即(1)具有基础性质的爆轰学、击波物理、击波化学、材料动力学、击波理论、应力波理论;
(2)具有应用性质的空中爆炸、水下爆炸和土岩中爆炸的力学、高速冲击动力学、粒子束或激光束的高能密度动力学、爆破工程力学、爆炸工艺力学、爆炸结构力学;(3)具有工具和技术手段性质的计算爆炸力学、瞬态测量技术、模拟技术等研究领域。
我国的有关研究工作是在50年代末期开始的,中国科学院开展了爆破和爆炸加工技术的研究,军工部门开展了原子弹研制和爆轰的研究。60年代初钱学森认为我国爆炸现象的研究已经具备初步基础,一门新兴技术科学已经涌现,遂命名为“爆炸力学”。30年来我国在爆炸力学方面展开了广泛深入的研究,特别应该提到的是60年代郑哲敏等独立提出了流体弹塑性体模型,随后以这一模型为基础解决了一系列与核爆炸效应、高速冲击以及爆炸加工有关的问题。
今后爆炸力学的研究应侧重基础,侧重民用,建议着重研究以下几个问题:
1)爆炸载荷作用下材料的本构特性的研究;
2)击波化学和起爆机制的研究;
3)激光辐照下材料变形和变性的研究;
4)含有流体的多孔介质和散体的动力学研究;
5)爆炸和冲击作用下的结构动力学研究。 2.4.4 环境流体力学
环境流体力学是研究同人类生存环境及其变迁有关的流动问题的力学分支,也是环境科学的重要组成部分。
环境流体力学着重研究地球表面,包括大气圈、水圈、冰雪圈、土壤岩石圈、生物圈中的介质(如大气、水、溶质、气溶胶、污染物、微量气体) 的动量、能量、物质输运规律及其对人类环境的影响;同时研究与保护环境有关的绿色产业中的流动问题。
人类为了生存和栖息,从刀耕火种时代起就同自然界作斗争,同时也无意识地破坏了自己的生存环境。第二次世界大战以来,因人口剧增,资源利用不当,导致一系列严重环境污染事件(如烟雾事件、水俣事件)发生,人类开始认识到治理环境的重要性。近20年来,因气候变暖、臭氧空洞、厄尔尼诺、土地沙漠化等各种全球性环境问题正在威胁着人类,人们普遍认识到保护地球的紧迫性,并把环境和发展结合起来。这就是环境流体力学产生和发展的背景。我国幅员辽阔,人口众多,水资源紧缺,水土流失,泥沙沉积,土地沙漠化、盐碱化,环境污染严重,更迫切需要研究和治理。
五六十年代环境流体力学主要研究污染问题,目前逐步趋于研究多