磁流體推進實驗儀的設計與實現

胡 光，蔣青松，張 俊，袁海峰

(淮陰工學院 數理學院，江蘇 淮安 223003)

磁流體推進實驗儀的設計與實現

胡 光，蔣青松，張 俊，袁海峰

(淮陰工學院 數理學院，江蘇 淮安 223003)

設計了磁流體推進實驗裝置，采用Solidworks軟件設計船體；6路無線遙控專用集成電路LC2190/LC2200實現編碼解碼，控制推進器的運行狀態；使用充電電池作為磁流體推進動力，采用雙路4管推挽式電路及雙通道推進技術作為動力來源；在純凈水中配適當比例NaCl模擬海水.

磁流體；推進；演示實驗

磁流體推進技術，是利用海水中電流與磁場間的相互作用力，使海水運動而產生反推力的推進方法，是將電能直接轉換成流體的動能，取代傳統螺旋槳推進的新技術[1]. 磁流體推進技術涉及電磁學、流體力學、電化學等學科，綜合性強，是一項先進復雜的科學技術[2-3]. 磁流體推進器無須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動機構以及軸泵等，是完全沒有機械運動的推進裝置. 如果將磁流體推進器應用于船艇，可以從根本上消除因機械轉動而產生的振動、噪音以及功率限制等技術難題，船艇能在安靜的狀態下以極高的航速航行，因此該技術具有隱蔽性好、操作簡便、安全性能高等特點，預計磁流體推進技術會成為未來船艇的主要動力系統[4].

1 磁流體推進實驗儀器設計思路

本文設計的磁流體推進實驗儀器分為4個模塊:1)船體設計部分，參考最新船模樣本，采用Solidworks軟件進行設計；2)推進裝置，采用雙通道推進技術，通過改變電極方法，控制船體前進、轉彎、后退等動作；3)動力與控制，采用可充電電池作為磁流體推進動力，采用遙控方式控制實驗儀器；4)海水模擬，在純凈水中配適當比例NaCl，并且適度添加藍色顏料，模擬海水性能. 圖1所示為磁流體推進實驗儀船體.

圖1 磁流體推進實驗儀船體圖

2 磁流體推進裝置工作原理

磁流體推進裝置采用雙通道，每個通道由1對強磁場的永磁體和2片惰性電極組成的長矩形空腔結構，磁流體推進裝置原理結構如圖2所示. 由高強度永磁體組成的均勻磁場垂直向下，在電極1加正電壓(高電壓)，電極2加負電壓(低電壓)，在電極1和電極2之間形成圖2所示的電場，由于通道內部充滿海水，構成導電回路，電流方向與電場同方向，則海水受到的安培力dF=Idb×B，其反作用力推動裝置帶動整個船體反方向運動. 改變電極1和電極2的電壓極性，可改變安培力的方向，從而改變船體的運行方向.

電極極性與船體運行方向關系如表1所示. 推力的大小(安培力的反作用力)不僅與磁場B大小和通道寬度b有關，還取決于2個電極之間的電流I，即2個電極之間的電壓U和模擬海水的電阻R的比值.

表1 電極極性與船體運行方向關系

電極動作前進后退左轉右轉1+-+-2-+-+3+--+4-++-

2.1 磁流體推進實驗儀的控制電路

磁流體推進實驗儀的控制電路由遙控發射電路、遙控接收和控制電路、可充電電池的充電電路和驅動電路組成，電路原理圖如圖3所示.

圖3 磁流體推進實驗儀的電路原理圖

2.1.1 遙控與接收電路

遙控與接收電路采用成熟的6路無線遙控電路LC2190/LC2200，其遙控發射和接收電路如圖4和圖5所示. LC2190/LC2200是相互配合使用的多功能遙控發射與接收專用集成電路，內部具有信號調制、解調和誤碼識別等功能，外圍電路元件少，抗干擾性好，功耗低，使用靈活方便[5]. 發射電路以LC2190為核心，S1～S6為編碼開關，C2為脈沖間隔定時電容，調制后的編碼信號由其1腳經T630發出. 遙控器發射的編碼信號經T631接收，送入LC2200的13腳，解碼后經過A～F輸出.

圖4 6路無線遙控發射電路

圖5 6路無線遙控接收電路

2.1.2 控制與驅動電路

控制與驅動電路采用雙路4管推挽式電路進行驅動，遙控接收電路LC2200的A～F編碼信號連接到控制與驅動電路的電源控制端和4個輸入信號in1～4端，由控制信號控制電路的電源通斷和電極12、電極34上電壓正負，從而控制磁流體推進裝置運行方式. 控制與驅動電路見圖6.

圖6 控制與驅動電路圖

2.1.3 充電電路

充電電路采用自動停止充電方式，J1-1和J1-2是繼電器J的常閉觸點，穩壓管VDW控制充電電壓，可充電電池充電到額定電壓值后，啟動繼電器J，斷開充電電路，實現充電保護，可充電電池的充電電路如圖7所示.

圖7 可充電電池的充電電路圖

2.2 海水模擬

模擬海水的主要目的是使得其電阻率在設計值范圍，在本課題設計中，模擬的海水電阻率設計值為2.5 Ω·m，模擬海水NaCl的質量分數為3.8%. 在配置模擬海水時，根據純凈水的量，加入適當的鹽(NaCl)即可以得到相應的設計參量. 常溫下(20 ℃)，NaCl的溶解度是36 g，此時NaCl飽和溶液密度為1.12 g/cm3，NaCl的質量分數為26.47%[6]. 表2是21 ℃時食鹽的質量分數與電阻率的關系.

表2 21 ℃食鹽的質量分數與電阻率的關系

3 磁流體推進裝置的參量設計與測試

磁流體推進裝置的參量設計主要涉及磁流體推進裝置的尺寸、電磁參量、模擬的海水參量以及船體運行速度等，磁流體推進裝置的參量測試主要是測量電壓、電流、磁場、船速之間的相互關系.

3.1 磁流體推進裝置參量設計與取值

磁流體推進裝置參量設計主要涉及到磁流體推進通道的長度、寬度和高度的設計，磁場大小的選擇、可充電電池的參量選擇，以及推力計算等，表3為相關參量設計取值和有關計算.

表3 磁流體推進裝置相關參量設計取值與計算

3.2 磁流體推進儀操作步驟

磁流體推進實驗儀操作步驟：

1)在較大的容器內加入適量的純凈水，按水與食鹽質量比100∶4加入食鹽，可以加入適量的藍色顏料，形成模擬的海水.

2)打開電源，將實驗儀放到模擬的海水中.

3)按遙控器啟動(前進、停止)按鍵，裝置啟動保持前進狀態，在此狀態下，按左轉和右轉以及后退按鍵，裝置將執行對應的運動動作；如再按啟動(前進、停止)按鍵，裝置將執行停止動作；重復按遙控器啟動按鍵將重復上述實驗狀態.

4)測試磁流體推進裝置磁感應強度、電流與航速等.

3.3 磁流體推進裝置的參量測試

磁流體推進裝置的參量測試主要測量電壓保持不變磁感應強度與船速的關系，磁場保持不變電壓與電流的關系. 圖8是在電壓為10 V時船速與磁感應強度關系曲線圖，圖9是在磁感應強度為0.5 T時電流與電壓關系曲線圖.

磁流體推進實驗的主要目的是將電能轉化為流體的動能，進而轉化為船體前進的推力. 由于鹽水的質量分數與電阻率基本成線性關系，鹽水的質量分數越大，電阻率越小，實驗儀上推進裝置的工作電流越大，實驗效果愈加明顯. 同時實驗過程時間稍長，鹽水中也會產生少量的氯氣，鹽水顏色也會變淡黃，但不影響實驗過程和效果[7].

圖8 保持電壓為10 V時船速與磁感應強度關系

圖9 磁感應強度保持在0.5 T時電流與電壓關系

4 結束語

磁流體推進實驗裝置直接采用永磁體提供磁場，使用可充電電池作為動力能源，由于磁場和電源功率較小，推進動力不強，船體運行較緩慢，磁流體推進實驗效果(高速、靜音)沒有完全體現出來. 在實際應用中，磁場可以采用超導線圈通以超大安培電流產生，驅動動力采用核動力技術，確保磁流體推進所需的強大動力需求，使船艇能夠在螺旋推進裝置所不能達到的速度下運動[8-9].

[1] 尹真，尹群. 船舶磁流體推進技術研究[J]. 造船技術，2002(1)：1-3.

[2] 陳穎. 船舶磁流體推進的實際應用[J]. 廣東造船，2011,30(4)：44-46.

[3] Swallowman D W. The magnetohydro-dynamic propulsive system for submarine [J]. Naval Eng. J., 1991(3):142-157.

[4] Motora S. An online of the R & D project on superconducting MHD ship propulsion in Japan [C]//International Symposium on Superconducting MHD Ship Propulsion, 1991:1-1-1.

[5] 王貽友. 通用遙控集成電路LC2190和LC2200的原理及應用[J]. 電子技術，1994(6)：27-30.

[6] 金虎杰，韓德方，王成貴. 液體電導率與溫度和濃度之間關系的測量[J]. 延邊大學學報(自然科學版)，2003，29(3)：72-75.

[7] 李亞旭，劉曉林. 船舶磁流體推進與高溫超導[J]. 船電技術，2009，29(8)：1-4.

[8] Bashkatov V. Reactive forces in MHD and their applications for MHD-jet propulsive ocean ships [C]//International Symposium on Superconducting MHD Ship Propulsion, 1991:5-3-1.

[9] Metrey R E. United States activities in MHD ship propulsion [C]//International Symposium on Superconducting MHD Ship Propulsion, 1991:K-2-1.

[責任編輯：任德香]

Experiment instrument for magnetohydrodynamic propulsion

HU Guang, JIANG Qing-song, ZHANG Jun, YUAN Hai-feng

(Faculty of Mathematics and Physics, Huaiyin Institute of Technology, Huai’an 223003, China)

The experiment instrument for magnetohydrodynamic propulsion was designed and constructed. The Solidworks software was used to design the boat mold. The six-way wireless remote controller LC2190/LC2200 was applied as the control circuit. The propeller could be controlled by codec. Rechargeable batteries were used as propulsion power of the magnetofluid. A push-pull circuit was used as the drive circuit. The propulsion technology with two channels was used to generate power. NaCl was added into purified water to simulate seawater.

magnetofluid; propulsion; demonstrative experiment

2016-06-01；修改日期：2016-11-05

胡 光(1966-)，男，江蘇泗陽人，淮陰工學院數理學院高級工程師，碩士，研究方向為應用物理學.

O441; U664.3

A

1005-4642(2016)12-0008-04