磁流体浸没物磁场力分析及磁浮特性.pdfVIP

1 磁流体浸没物磁场力分析及磁浮特性 刘桂雄，蒲尧萍，徐晨 华南理工大学机械工程学院，广东 广州 (510640) E-mail:megxliu@ 摘 要：物体浸没于磁流体中表现出磁浮特性，对其受力状态分析是准确描述其悬浮状态的 前提和基础。基于非线性磁流体应力张量模型和稳态 Bernoulli 方程，建立磁流体中浸没物 受力模型。借助非磁性体受力模型的简化计算方法以及磁性体与磁流体之间的多场效应关 系，分别对非磁性体、磁性体两类浸没物在磁流体中所受磁浮力进行分析，结果表明非磁性 浸没物在磁流体中仅受到外加磁场贡献的一次磁浮力，而磁性浸没物除受到一次磁浮力外， 还受到其自身激发磁场贡献的二次磁浮力。永磁体在磁流体中位置决定的磁浮力满足一定条 件时，永磁体能够自悬浮于磁流体中。 关键词：磁流体；磁场力；一次磁浮力；二次磁浮力 中图分类号：TH702 1．引言 磁流体是一种具有很大发展潜力的智能材料，在磁场作用下表现出独特的磁性性能，同 时仍兼有流体的流动特征。物体浸没于磁流体中表现出独特的悬浮能力可以应用于很多特殊 领域，如惯性传感[1-3] [4] [5,6] 、矿物分离 、药物定位输送 等。在磁、流场理论基础上进行受力 模型分析，准确描述浸没物在磁流体中的悬浮状态，是磁流体悬浮特性可实现性及可应用性 的关键。铁磁流体动力学（FHD ）已发展成一个独立分支倍受关注，磁流体中浸没物的受力 计算一直是 FHD 中的学术热点，其中A.S.Kvitantsev ，V.A.Naletova 等人将磁流体磁导率视 为常数，研究球形顺磁体在装满磁流体的球形容器中相对容器中心发生小位移时所受磁场力 [7]，Vera A. Naletova ，Alexandr S.Kvitantsev 等人研究非感应相似情况下永磁体和顺磁体在磁 流体中的运动轨迹[8] 。但是由于磁流体中浸没物的研究方向与应用的特殊性，以及磁性体本 身作为激发磁源带来复杂性，其在磁流体中所受磁浮力与非磁性体的存在非常大差异，因此 对磁流体中浸没物力学模型的系统性分析和讨论是有意义工作。本文从非线性磁流体中的应 力张量分析开始，讨论磁性及非磁性浸没物受力模型，并分类对磁流体中浸没物所受磁场力 进行分析，以此为基础研究磁流体浸没物磁浮特性和永磁体自悬浮机理，从系统角度对磁流 体中浸没物力学模型及应用进行阐述。 2 ．磁流体中浸没物受力模型 假设在一个充满磁流体且具有任意内腔边界的容器内，有任意外形磁性或非磁性物体浸 [9] 没于磁流体中。由热力学及能量守恒定理可知，磁流体中应力张量计算公式如下 ： 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(20060561003)、国家自然科学基金和广东省自然科学基金 的资助。 1 T BH =−{p * +μH 2 / 2}I (1) mf 0 其中：B 、H 分别为磁流体中的磁感应强度和磁场强度；I 为单位矢量；p* 为复合压力，它 由普通热力学压力p 、磁致伸缩压力p mS 和磁化压力p mM 构成。普通热力学压力p 是磁流体 密度ρ 和磁流体内温度 T 的函数，即p (ρ,T) ；磁致伸缩压力p mS 和磁化压力p mM 的计算公式 分别为：