铁磁流体的物理学基础和应用PDF电子书下载

引论 1

参考文献 5

第1章 铁磁流体的物理性质和流体力学基础 6

1.1 铁磁流体 6

1.2 铁磁流体的物理性质 7

1.2.1 铁磁流体的磁学性质 7

1.2.2 铁磁流体的力学性质 7

1.2.3 铁磁流体的热学性质 8

1.2.4 铁磁流体的光学性质 8

1.2.5 铁磁流体的声学性质 8

1.3 流体力学基本方程 9

1.3.1 概述 9

1.3.2 连续性方程 9

1.3.3 动量守恒方程（N-S方程） 9

1.3.4 能量守恒方程 10

1.3.5 直角坐标系、圆柱坐标系和圆球坐标系中的流体力学方程 10

1.4 铁磁流体固相微粒旋转时所受到的液体粘性阻力矩 12

1.5 铁磁流体固相微粒移动时所受到的液体粘性阻力 14

参考文献 15

第2章 铁磁流体的电磁学基础 16

2.1 概述 16

2.2 Lorentz力和磁感应强度 16

2.3 Ampere定律 16

2.4 Biot-Savart定律 17

2.4.1 Biot-Savart实验定律公式 17

2.4.2 载流直导线周围产生的磁场 17

2.4.3 在任意形状的平面电流环法线上的磁感应强度B 18

2.4.4 任意形状电流环平面上的磁场 19

2.4.5 在平面电流环外任意点处的磁感应强度 21

2.5 圆球形线圈的磁场 23

2.5.1 概述 23

2.5.2 球形线圈在其磁矩方向上产生的磁场 23

2.5.3 球形线圈赤道平面上的磁场 25

2.5.4 在球形线圈外任意点处的磁场 26

2.6 磁场的Gauss定理和Ampere环路定理 26

2.6.1 概述 26

2.6.2 导磁物质内的磁场 27

2.6.3 磁场的Gauss定理的物理概念 27

2.6.4 磁场的Ampere环路定理的物理概念 28

2.7 Gauss定理和Ampere环路定理的证明 30

2.7.1 Biot-Savart定律的旋度形式 30

2.7.2 磁场的Gauss定理 31

2.7.3 磁场的Ampere环路定理 31

2.8 在铁磁流体中Gauss定理和Ampere环路定理的实例 34

2.8.1 长直导线电流产生的磁场 34

2.8.2 铁磁流体磁性固相微粒产生的磁场 37

2.9 磁场的边界问题 39

2.9.1 边界上磁通量的连续性 39

2.9.2 边界面上磁场强度的切向分量 40

2.9.3 永磁体的边界条件 40

2.9.4 以永磁体作为磁源的磁路定理 41

2.9.5 分子电流密度i′与磁化强度M的关系 43

2.9.6 铁磁流体密封装置的磁路优化设计 43

2.10 任意形状的平面微电流环在外磁场中所受的力和力矩 44

2.10.1 概述 44

2.10.2 坐标系 44

2.10.3 电流环所受的磁场力 45

2.10.4 在磁场中电流环所受的磁力矩 48

2.11 圆球形线圈在非均匀磁场中所受的磁力和磁力矩 49

2.11.1 圆球形线圈所受的磁力 49

2.11.2 圆球形线圈所受的磁力矩 50

2.12 铁磁流体的固相磁性微粒（圆球形线圈）在外磁场中的势能 50

2.13 磁偶极子理论 51

2.13.1 概述 51

2.13.2 磁偶极子产生的磁场 52

2.13.3 磁偶极子在外磁场中所受的力 53

2.13.4 磁偶极子在外磁场中所受的力矩 53

2.13.5 磁偶极子在外磁场中所具有的势能 53

参考文献 54

第3章 铁磁流体的统计物理学基础 55

3.1 概述 55

3.2 理想气体分子运动的统计物理学理论 55

3.2.1 Boltzmann常数k0 56

3.2.2 Maxwell-Bo1tzmann分配定律 58

3.2.3 能量均分定理 64

3.2.4 速度分布和平均速率 65

3.3 气体分子或铁磁流体固相微粒之间的相互作用力 67

3.3.1 概述 67

3.3.2 铁磁流体中的固相微粒之间的van der Waals势能 68

3.4 铁磁流体的胶体稳定性 69

3.4.1 概述 69

3.4.2 在重力场中铁磁流体的胶体稳定性 69

3.4.3 在外磁场中铁磁流体的胶体稳定性 70

3.4.4 在重力场和外磁场中铁磁流体的磁性固相微粒的平衡浓度分布 71

3.5 分散剂机理 73

3.5.1 概述 73

3.5.2 分散剂的理论模型——摆动杆 73

3.6 铁磁流体的磁化和退磁 76

3.6.1 概述 76

3.6.2 铁磁流体磁化的量子力学理论 77

3.6.3 铁磁流体的内禀性磁松弛过程 84

3.7 铁磁流体的非内禀性磁松弛过程 87

3.7.1 铁磁流体的非内禀性磁化过程 87

3.7.2 铁磁流体的非内禀性退磁过程 90

3.7.3 铁磁流体的磁松弛时间tr 91

3.8 铁磁流体中固相微粒浓度的扩散过程 93

3.8.1 概述 93

3.8.2 在非均匀磁场中，铁磁流体固相微粒的浓度分布和扩散系数Dp 93

3.8.3 铁磁流体内固相微粒分布的均匀化过程 95

参考文献 97

第4章 铁磁流体牛顿流动力学方程 98

4.1 概述 98

4.2 铁磁流体胶体混合物的组成参数 99

4.2.1 体积分量参数φ 99

4.2.2 质量分量参数？ 99

4.2.3 体积分量φ和质量分量？的关系 99

4.3 铁磁流体的热力学参数 100

4.3.1 压力 100

4.3.2 密度 101

4.3.3 铁磁流体的热内能EfO和温度Tf 101

4.3.4 铁磁流体的熵 102

4.4 铁磁流体的输运参数 103

4.4.1 输运的通用方程式 103

4.4.2 铁磁流体混合物的粘性系数 104

4.4.3 铁磁流体的导热系数 106

4.4.4 铁磁流体的扩散系数 107

4.5 在外磁场中铁磁流体的热力学定律和热力学函数 108

4.5.1 铁磁流体的磁化功 108

4.5.2 在存在外磁场时，铁磁流体的主要热力学函数 109

4.5.3 铁磁流体磁化性能的本构方程及其磁化强度的导数 110

4.5.4 在外磁场很弱和很强两种情况下，铁磁流体磁化性能的本构方程 111

4.6 铁磁流体在外磁场中的粘度系数ηH 112

4.6.1 概述 112

4.6.2 作用于铁磁流体上的粘性力矩和磁力矩 112

4.6.3 在等速涡旋下，铁磁流体磁化强度矢量M的分量Mx 114

4.6.4 铁磁流体在外磁场中的粘度系数ηH的表达式 118

4.7 铁磁流体的混合流运动方程 119

4.7.1 铁磁流体运动方程的基本形式 119

4.7.2 两相涡旋速度滞后引起的附加力fτ和附加力矩Lτ 120

4.7.3 铁磁流体所受的磁场力fm 122

4.7.4 铁磁流体混合流的运动方程 128

4.8 铁磁流体中固相微粒的动量矩方程 129

4.9 铁磁流体的磁化方程 131

4.10 铁磁流体的涡量方程 131

4.11 铁磁流体的质量守恒方程 132

4.12 铁磁流体的能量守恒方程 133

4.13 内禀性铁磁流体的动力学方程组 136

4.14 铁磁流体的边界条件 137

4.14.1 铁磁流体的磁学方程和边界条件 137

4.14.2 铁磁流体力学方程的边界条件 137

参考文献 139

第5章 铁磁流体非牛顿流 140

5.1 概述 140

5.2 铁磁流体固相微粒之间的相互作用 141

5.2.1 概述 141

5.2.2 一个偶极子在另一个偶极子产生的磁场中所具有的磁势能 142

5.2.3 偶极子对之间的磁力 143

5.2.4 偶极子对的磁力矩 145

5.2.5 磁偶极子对的磁力因子和磁力矩因子 146

5.3 磁偶极子对在特定的相对位置下的磁力和磁力矩 147

5.3.1 两偶极子平行，？＝0 147

5.3.2 两偶极子反平行，？＝π 147

5.3.3 两偶极子互相垂直，？＝π／2 147

5.3.4 两偶极子反垂直，？＝3π／2 148

5.4 偶极子对的磁场功 148

5.4.1 两偶极子中心距改变时的磁势能和磁场功 149

5.4.2 在偶极子对中，一个偶极子的翻转功和磁势能的变化 150

5.5 偶极子长链 153

5.5.1 概述 153

5.5.2 串接偶极子长链中的内部磁场 153

5.5.3 在串接长链中偶极子的磁势能和相互作用力 154

5.5.4 外磁场B0对串接长链中的偶极子的作用 156

5.6 铁磁流体中，磁性作用形成的微结构在外磁场影响下的行为 157

5.6.1 概述 157

5.6.2 偶极子对处于外磁场中 157

5.6.3 外磁场对固相微粒聚集体的作用 159

5.6.4 外磁场对网状结构的影响 160

5.7 铁磁流体流动过程中涡旋（或剪切率）对磁化性能和流动特性的影响 163

5.7.1 网状结构和屈服应力 163

5.7.2 剪切率D对网状结构和长链的破坏作用 165

5.7.3 表面活性剂（或分散剂）对铁磁流体性能的影响 166

5.8 铁磁流体流动特性的一种二次型本构方程 167

5.8.1 铁磁流体的非牛顿流特性 167

5.8.2 铁磁流体的实用的二次型本构方程 168

参考文献 169

第6章 铁磁流体的拟塑性Bingham体润滑 170

6.1 概述 170

6.2 非牛顿流铁磁流体的广义Reynolds润滑方程 171

6.2.1 平衡方程 171

6.2.2 润滑膜内的速度 173

6.2.3 润滑膜厚度上的速度梯度 174

6.2.4 润滑膜内单位宽度上的体积流量 174

6.2.5 具有“固态”核的铁磁流体润滑膜 175

6.2.6 非牛顿流铁磁流体的润滑方程 177

6.3 在非均匀外磁场中具拟塑性Bingham体性质的铁磁流体润滑的一般关系式 178

6.3.1 概述 178

6.3.2 非牛顿流铁磁流体在非均匀外磁场中的一维润滑方程 179

6.3.3 铁磁流体润滑膜中存在“固态”核时的一般关系式 180

6.3.4 铁磁流体润滑膜中粘附核的几何边界 181

6.3.5 润滑膜内出现粘附核的临界条件 183

6.3.6 粘附核保持存在的条件 184

6.4 在均匀外磁场中，铁磁流体润滑的倾斜平板滑块的粘附核 185

6.4.1 概述 185

6.4.2 倾斜平板滑块中的压力 186

6.4.3 倾斜平板滑块中纯剪切流截面h0的值 187

6.4.4 具有粘附核的倾斜平板的量纲归一化特征尺寸 188

6.4.5 倾斜平板滑块中粘附核出现的临界条件 190

6.4.6 倾斜平板滑块中粘附核保持存在的临界条件 191

6.5 铁磁流体润滑的倾斜平板滑块的性能——进口和出口均存在粘附核 192

6.5.1 概述 192

6.5.2 倾斜平板滑块内的压力量纲归一化方程 192

6.5.3 进出口均有粘附核的倾斜平板滑块的承载能力 193

6.5.4 进出口均有粘附核的倾斜平板滑块的摩擦应力 195

6.5.5 具有进口和出口粘附核的倾斜平板滑块的摩擦力和摩擦系数 198

6.6 铁磁流体润滑的倾斜平板滑块的性能——只存在进口粘附核 200

6.6.1 概述 200

6.6.2 压力分布函数 200

6.6.3 滑块的承载能力 200

6.6.4 仅有进口粘附核的倾斜平板滑块的摩擦力和摩擦系数 202

6.6.5 C0值的确定 203

6.7 铁磁流体拟塑性Bingham体润滑的轴颈轴承 203

6.7.1 概述 203

6.7.2 轴颈轴承中的粘附核 205

6.7.3 在均匀磁场中，铁磁流体轴颈轴承的压力——进出口均有粘附核 207

6.7.4 在均匀磁场中，铁磁流体轴颈轴承的压力——只存在进口粘附核 212

6.7.5 在均匀磁场中，铁磁流体轴颈轴承的压力——只存在出口粘附核 213

6.8 铁磁流体拟塑性Bingham体润滑的阶梯滑块 214

6.8.1 概述 214

6.8.2 存在浅腔粘附核和台阶粘附核的阶梯滑块的性能 216

6.8.3 只存在浅腔粘附核的阶梯滑块 222

6.8.4 只存在台阶粘附核的阶梯滑块 223

第6章附录 有关轴颈轴承间隙函数的积分 226

6A-1 基本关系式 226

6A-2 轴颈轴承间隙函数的积分 226

参考文献 227

第7章 铁磁流体的拟塑性润滑 229

7.1 概述 229

7.2 铁磁流体的二维拟塑性润滑基本关系 229

7.2.1 铁磁流体的拟塑性粘度系数 229

7.2.2 铁磁流体拟塑性润滑的稳态润滑方程及其边界条件 230

7.2.3 铁磁流体的稳态拟塑性润滑方程本征函数的正交性质 231

7.2.4 二维润滑方程解的一般形式 233

7.2.5 二维润滑中的平均本征值方法 235

7.3 轴承二维流动的平均剪切率 236

7.3.1 概述 236

7.3.2 倾斜平板滑块 237

7.3.3 轴颈轴承 238

7.4 铁磁流体拟塑性润滑的无限宽倾斜平板滑块 239

7.4.1 方程式（7.20）的一般积分形式 239

7.4.2 在均匀磁场中铁磁流体拟塑性润滑无限宽倾斜平板中的压力 240

7.4.3 铁磁流体拟塑性润滑倾斜平板滑块的承载能力 241

7.4.4 摩擦力和比摩擦力 242

7.4.5 铁磁流体牛顿流润滑的倾斜平板滑块 243

7.5 用平均本征值方法对轴承性能做二维修正 243

7.5.1 压力和比压 243

7.5.2 摩擦应力和比摩擦力 244

7.6 倾斜平板滑块轴承拟塑性润滑的二维近似解 244

7.6.1 压力和比压的二维近似解 244

7.6.2 摩擦应力和比摩擦力的二维近似解 245

7.6.3 倾斜平板滑块的牛顿流润滑二维近似解 245

7.6.4 倾斜平板滑块的平均本征值 246

7.6.5 铁磁流体拟塑性流润滑的无限宽倾斜平板滑块的数值举例 246

7.7 铁磁流体拟塑性流润滑的平行平板阶梯滑块 247

7.7.1 概述 247

7.7.2 阶梯滑块中的压力分布函数 248

7.7.3 承载力 250

7.7.4 摩擦力 250

7.7.5 二维阶梯滑块性能参数的量纲归一化 251

7.7.6 无限宽的平行平板阶梯滑块 252

7.8 铁磁流体拟塑性流润滑的无限宽轴颈轴承及其二维修正 254

7.8.1 无限宽轴颈轴承的压力——润滑方程积分解 254

7.8.2 无限宽轴颈轴承的承载能力 256

7.8.3 无限宽轴颈轴承的摩擦力 258

7.8.4 铁磁流体拟塑性流润滑的无限宽轴颈轴承的数值举例 260

7.8.5 无限宽轴颈轴承性能的二维修正 261

7.9 铁磁流体拟塑性流润滑的无限窄轴颈轴承 262

7.9.1 无限窄轴颈轴承的润滑方程和压力分布 262

7.9.2 无限窄轴颈轴承的承载能力 263

7.9.3 无限窄轴颈轴承的摩擦力 264

参考文献 265

第8章 非均匀磁场中铁磁流体的牛顿流润滑 266

8.1 概述 266

8.2 在非均匀的磁场中，铁磁流体牛顿流润滑的基本关系式 267

8.2.1 在非均匀磁场中，铁磁流体牛顿流的润滑方程 267

8.2.2 轴承中铁磁流体润滑剂的流量和粘性剪应力 271

8.3 非均匀磁场中铁磁流体牛顿流润滑方程的本征函数的正交性质 271

8.4 非均匀磁场中铁磁流体牛顿流润滑的倾斜平板滑块 272

8.4.1 滑块内的压力分布 272

8.4.2 滑块的承载能力 273

8.5 在非均匀磁场中，铁磁流体牛顿流润滑的阶梯滑块 274

8.5.1 无限宽阶梯滑块中的压力分布 274

8.5.2 滑块的承载能力 275

8.5.3 摩擦力 276

8.5.4 均匀磁场中的阶梯滑块 276

参考文献 277

第9章 铁磁流体密封 278

9.1 概述 278

9.2 铁磁流体的Bernoulli方程 278

9.3 铁磁流体静止密封的性能 280

9.3.1 最大密封能力 280

9.3.2 在静止状态下铁磁流体密封膜的表面 282

9.3.3 最大密封能力与铁磁流体注入量的关系 283

9.4 轴高速旋转时铁磁流体膜的密封 284

9.4.1 内筒高速旋转下，无限长同心圆筒间隙内铁磁流体的Bernoulli方程 284

9.4.2 轴高速旋转时铁磁流体膜的密封能力 285

9.5 铁磁流体密封区的磁场计算 287

9.5.1 基本概念 287

9.5.2 密封磁场的工程估算方法 289

参考文献 290