ANSYS CFD软件在船舶磁推进领域的应用

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　　1前言
　　船舶磁流体推进是近二三十年出现的一种新型的船舶推进方式，它是利用海水中的电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法，可用于船舶之类水中装置的推进。船舶磁流体推进具有可高速、振动小、噪声低、操纵灵活、布置方便等特点。1992年世界第一艘超导磁流体推进船“大和一号”的试航成功，标志着磁流体推进研究进入了一个新阶段，目前许多造船大国纷纷对此技术进行详细研究，并预测此种推进方式将是本世纪最有希望的船舶新的推进方式之一。

　　磁流体推进是一项综合性很强的高新技术，它涉及电磁学、流体力学、电化学等相互交叉学科的理论，又涉及新结构、新材料、新控制方法等综合性技术。为了解和掌握磁流体推进技术，我们详细研究了磁流体推进的工作原理，对磁流体推进方式进行了试验研究，取得了一定的研究成果。

　　2船舶磁流体推进的国内外研究现状
　　自1961年以来，美国、日本、苏联、中国等先后开展了磁流体推进的研究。到目前为止，这方面的研究大致可分为三个阶段:磁流体推进原理性研究;磁流体推进应用基础研究及磁流体推进实用化技术的研究。1961年，赖斯基于液态金属电磁泵工作原理，提出了电磁推进系统即磁流体推进系统的设想，从而拉开了船舶磁流体推进研究的序幕。1966年，韦研制出由常导线圈构成的双圆柱电磁推进系统，并安置在EMS-1潜艇模型上进行试验，首次实现了船舶磁流体推进。
　　20世纪70年代，超导技术步入实用化阶段，1976年日本神户商船大学佐治吉郎、岩田章等人将超导磁体用于磁流体推进器，研制出磁通量密度0.607T、推力为0.015N的SEMD-1磁流体推进装置(船模)，并在水槽中进行了试验。
　　超导材料尤其是高温超导材料的发展和磁流体技术的进步，以及超导磁流体推进船模试验和理论研究的成果，使人们看到了磁流体推进实用化的前景，并开展了一系列实用化技术的研究。苏联科学院高温物理研究所、卡尔波夫物理化学研究所等单位研制出5.8T、直径150mm长800mm的超导螺旋磁流体推进器通道模型，进行了压力分布、电极压降、磁流体性能的分析和试验。美国阿贡国家实验室、海军水下系统中心和阿夫柯公司等单位，建立了海水循环回路，对几个不同尺寸通道的线性磁流体推进器的运行性能和关键技术进行理论和试验研究。1985年，日本开始了磁流体推进在船舶上实用化的研究，并于1992年研制出“大和一号”实验船，在海上进行了自航试验，它标志着世界上第一艘无螺旋桨的磁流体推进船的诞生。
　　我国从20世纪70年代初开始了磁流体推进技术的研究，1971年，中国船舶工业总公司武汉船舶设计研究所和武汉船用电力推进装置研究所联合研制出磁通量密度为0.075T的外磁流式磁流体推进器，并安装在潜艇模型上在水池中进行了试验。近年中国科学院电工研究所研制出磁流体推进试验用0.87T，35mm×50mm×300mm的永磁磁体和0.46T的永磁式磁流体推进器及其船模后，又研制出推进器用磁通密度达4T、直径200mm、长300mm的螺管形超导磁体，并且正进行着螺旋型超导磁流体推进器及船模的研究。

　　3磁流体推进的工作原理和特点
　　磁流体推进是利用海水中电流和磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法。具体说磁流体推进是把海水作为导电体，利用磁体在通道内建立磁场，通过电极向海水供电，此时载流海水就会在与它相垂直的磁场中受到电磁力(洛伦兹力)的作用，其受力方向按左手定则确定。海水受力时沿电磁力方向运动，其反作用力即推力推进船舶运动。在磁场一定的情况下，电流大，电磁力大，推力也大，船运动的速度就快;反之，电流小，电磁力小，推力也小，船运动的速度也慢。当电流方向改变时，电极的极性也改变，电磁力和推力的方向也改变，船舶运动的方向也随之改变。这样就可以利用调节电流大小的方法来控制船的速度，利用改变电极的极性来操纵船的方向。

　　船舶采用磁流体推进后，具有以下特点：
　　(1)振动和噪声小。
　　磁流体推进取消了螺旋桨推进使用的螺旋桨、轴系的减速齿轮，消除了由这些转动机构引起的振动和噪声，其辐射噪声也比螺旋桨推进器小，使得船舶几乎在安静的状态下航行。
　　(2)高效。
　　磁流体推进器是一个静止设备，它既克服了转动机械的功率限制，也克服了螺旋桨高速转动形成的空泡，因而可以大大提高设备的功率。
　　(3)布置方便。
　　磁流体推进器装置中各部件，如发电机、推进器、辅助及控制等设备之间没有刚性连接，它可以集中或分散安装在舱室内任何一个位置布置方便。
　　(4)操纵性好。
　　磁流体推进易于实现由驾驶人员在驾驶室中通过控制推进器的输入电压或电流对船舶进行操纵，通常通过调节电压(电流)的大小来控制船舶的推力及速度;通过改变电压的极性，即电流的方向，来操纵船舶的运行方向。

　　4ANSYS CFD软件在船舶磁推进领域的应用

　　通过建立低磁雷诺数下螺旋通道MHD推进器的3D数学模型，运用计算流体动力学方法和商业流体计算软件FLUENT MHD模块，可实现复杂结构空间MHD流动的电磁流耦合场的3D稳态数值计算。通过数值模拟，研究了磁场强度、电流密度、电磁力密度、静压和速度的内在关系、空间分布规律，揭示了螺旋通道内部湍流涡团、哈特曼流动等流动特征以及端部电流、端部磁场等电磁现象，阐明了螺旋通道MHD推进器内部电磁流场的耦合机理。









转自：ANSYS电磁场