胡 光，蔣青松，張 俊，袁海峰

(淮陰工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡 光，蔣青松，張 俊，袁海峰

(淮陰工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

設(shè)計(jì)了磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，采用Solidworks軟件設(shè)計(jì)船體；6路無線遙控專用集成電路LC2190/LC2200實(shí)現(xiàn)編碼解碼，控制推進(jìn)器的運(yùn)行狀態(tài)；使用充電電池作為磁流體推進(jìn)動(dòng)力，采用雙路4管推挽式電路及雙通道推進(jìn)技術(shù)作為動(dòng)力來源；在純凈水中配適當(dāng)比例NaCl模擬海水.

磁流體；推進(jìn)；演示實(shí)驗(yàn)

磁流體推進(jìn)技術(shù)，是利用海水中電流與磁場(chǎng)間的相互作用力，使海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生反推力的推進(jìn)方法，是將電能直接轉(zhuǎn)換成流體的動(dòng)能，取代傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的新技術(shù)[1]. 磁流體推進(jìn)技術(shù)涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科，綜合性強(qiáng)，是一項(xiàng)先進(jìn)復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)[2-3]. 磁流體推進(jìn)器無須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸泵等，是完全沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)裝置. 如果將磁流體推進(jìn)器應(yīng)用于船艇，可以從根本上消除因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪音以及功率限制等技術(shù)難題，船艇能在安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行，因此該技術(shù)具有隱蔽性好、操作簡(jiǎn)便、安全性能高等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)磁流體推進(jìn)技術(shù)會(huì)成為未來船艇的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)[4].

1 磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器分為4個(gè)模塊:1)船體設(shè)計(jì)部分，參考最新船模樣本，采用Solidworks軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)；2)推進(jìn)裝置，采用雙通道推進(jìn)技術(shù)，通過改變電極方法，控制船體前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退等動(dòng)作；3)動(dòng)力與控制，采用可充電電池作為磁流體推進(jìn)動(dòng)力，采用遙控方式控制實(shí)驗(yàn)儀器；4)海水模擬，在純凈水中配適當(dāng)比例NaCl，并且適度添加藍(lán)色顏料，模擬海水性能. 圖1所示為磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀船體.

圖1 磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀船體圖

2 磁流體推進(jìn)裝置工作原理

磁流體推進(jìn)裝置采用雙通道，每個(gè)通道由1對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的永磁體和2片惰性電極組成的長(zhǎng)矩形空腔結(jié)構(gòu)，磁流體推進(jìn)裝置原理結(jié)構(gòu)如圖2所示. 由高強(qiáng)度永磁體組成的均勻磁場(chǎng)垂直向下，在電極1加正電壓(高電壓)，電極2加負(fù)電壓(低電壓)，在電極1和電極2之間形成圖2所示的電場(chǎng)，由于通道內(nèi)部充滿海水，構(gòu)成導(dǎo)電回路，電流方向與電場(chǎng)同方向，則海水受到的安培力dF=Idb×B，其反作用力推動(dòng)裝置帶動(dòng)整個(gè)船體反方向運(yùn)動(dòng). 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(yùn)行方向.

電極極性與船體運(yùn)行方向關(guān)系如表1所示. 推力的大小(安培力的反作用力)不僅與磁場(chǎng)B大小和通道寬度b有關(guān)，還取決于2個(gè)電極之間的電流I，即2個(gè)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(yùn)行方向關(guān)系

電極動(dòng)作前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)1+-+-2-+-+3+--+4-++-

2.1 磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀的控制電路

磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀的控制電路由遙控發(fā)射電路、遙控接收和控制電路、可充電電池的充電電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，電路原理圖如圖3所示.

圖3 磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(fā)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(fā)射與接收專用集成電路，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和誤碼識(shí)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(fā)射電路以LC2190為核心，S1～S6為編碼開關(guān)，C2為脈沖間隔定時(shí)電容，調(diào)制后的編碼信號(hào)由其1腳經(jīng)T630發(fā)出. 遙控器發(fā)射的編碼信號(hào)經(jīng)T631接收，送入LC2200的13腳，解碼后經(jīng)過A～F輸出.

圖4 6路無線遙控發(fā)射電路

圖5 6路無線遙控接收電路

2.1.2 控制與驅(qū)動(dòng)電路

控制與驅(qū)動(dòng)電路采用雙路4管推挽式電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，遙控接收電路LC2200的A～F編碼信號(hào)連接到控制與驅(qū)動(dòng)電路的電源控制端和4個(gè)輸入信號(hào)in1～4端，由控制信號(hào)控制電路的電源通斷和電極12、電極34上電壓正負(fù)，從而控制磁流體推進(jìn)裝置運(yùn)行方式. 控制與驅(qū)動(dòng)電路見圖6.

圖6 控制與驅(qū)動(dòng)電路圖

2.1.3 充電電路

充電電路采用自動(dòng)停止充電方式，J1-1和J1-2是繼電器J的常閉觸點(diǎn)，穩(wěn)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(dòng)繼電器J，斷開充電電路，實(shí)現(xiàn)充電保護(hù)，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(shè)計(jì)值范圍，在本課題設(shè)計(jì)中，模擬的海水電阻率設(shè)計(jì)值為2.5 Ω·m，模擬海水NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%. 在配置模擬海水時(shí)，根據(jù)純凈水的量，加入適當(dāng)?shù)柠}(NaCl)即可以得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)參量. 常溫下(20 ℃)，NaCl的溶解度是36 g，此時(shí)NaCl飽和溶液密度為1.12 g/cm3，NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.47%[6]. 表2是21 ℃時(shí)食鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻率的關(guān)系.

表2 21 ℃食鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻率的關(guān)系

3 磁流體推進(jìn)裝置的參量設(shè)計(jì)與測(cè)試

磁流體推進(jìn)裝置的參量設(shè)計(jì)主要涉及磁流體推進(jìn)裝置的尺寸、電磁參量、模擬的海水參量以及船體運(yùn)行速度等，磁流體推進(jìn)裝置的參量測(cè)試主要是測(cè)量電壓、電流、磁場(chǎng)、船速之間的相互關(guān)系.

3.1 磁流體推進(jìn)裝置參量設(shè)計(jì)與取值

磁流體推進(jìn)裝置參量設(shè)計(jì)主要涉及到磁流體推進(jìn)通道的長(zhǎng)度、寬度和高度的設(shè)計(jì)，磁場(chǎng)大小的選擇、可充電電池的參量選擇，以及推力計(jì)算等，表3為相關(guān)參量設(shè)計(jì)取值和有關(guān)計(jì)算.

表3 磁流體推進(jìn)裝置相關(guān)參量設(shè)計(jì)取值與計(jì)算

3.2 磁流體推進(jìn)儀操作步驟

磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀操作步驟：

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

2)打開電源，將實(shí)驗(yàn)儀放到模擬的海水中.

3)按遙控器啟動(dòng)(前進(jìn)、停止)按鍵，裝置啟動(dòng)保持前進(jìn)狀態(tài)，在此狀態(tài)下，按左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)以及后退按鍵，裝置將執(zhí)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作；如再按啟動(dòng)(前進(jìn)、停止)按鍵，裝置將執(zhí)行停止動(dòng)作；重復(fù)按遙控器啟動(dòng)按鍵將重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)狀態(tài).

4)測(cè)試磁流體推進(jìn)裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流與航速等.

3.3 磁流體推進(jìn)裝置的參量測(cè)試

磁流體推進(jìn)裝置的參量測(cè)試主要測(cè)量電壓保持不變磁感應(yīng)強(qiáng)度與船速的關(guān)系，磁場(chǎng)保持不變電壓與電流的關(guān)系. 圖8是在電壓為10 V時(shí)船速與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線圖，圖9是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T時(shí)電流與電壓關(guān)系曲線圖.

磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)的主要目的是將電能轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為船體前進(jìn)的推力. 由于鹽水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻率基本成線性關(guān)系，鹽水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，電阻率越小，實(shí)驗(yàn)儀上推進(jìn)裝置的工作電流越大，實(shí)驗(yàn)效果愈加明顯. 同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程時(shí)間稍長(zhǎng)，鹽水中也會(huì)產(chǎn)生少量的氯氣，鹽水顏色也會(huì)變淡黃，但不影響實(shí)驗(yàn)過程和效果[7].

圖8 保持電壓為10 V時(shí)船速與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度保持在0.5 T時(shí)電流與電壓關(guān)系

4 結(jié)束語

磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置直接采用永磁體提供磁場(chǎng)，使用可充電電池作為動(dòng)力能源，由于磁場(chǎng)和電源功率較小，推進(jìn)動(dòng)力不強(qiáng)，船體運(yùn)行較緩慢，磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果(高速、靜音)沒有完全體現(xiàn)出來. 在實(shí)際應(yīng)用中，磁場(chǎng)可以采用超導(dǎo)線圈通以超大安培電流產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力采用核動(dòng)力技術(shù)，確保磁流體推進(jìn)所需的強(qiáng)大動(dòng)力需求，使船艇能夠在螺旋推進(jìn)裝置所不能達(dá)到的速度下運(yùn)動(dòng)[8-9].

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

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[責(zé)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(xué)院數(shù)理學(xué)院高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)閼?yīng)用物理學(xué).

O441; U664.3

A

1005-4642(2016)12-0008-04