مبدأ وعمل المولد المغناطيسي الحراري الهيدروديناميكي

بداية MHD4

...على سبيل المثال، إذا غُمرت نموذج مصغّر كهذا بوجود زوج واحد فقط من الأقطاب (الزوج الأوسط)، وتم توصيل هذا الزوج قصيرةً، فسوف يمر تيار كهربائي يدور في الغاز، مما يؤدي إلى تباطؤه بشدة:

...هذا الشكل الجناحي، عند غمره في غاز موصل جيد للكهرباء (أو تم جعله موصلًا)، يتصرف كمولد MHD عالي القوة. إنه "محول MHD". من أين تأتي الطاقة؟ إنها ببساطة الطاقة الحركية للسائل، والطاقة المستخرجة ترافقها فقدان في الطاقة الحركية داخل السائل، أي تباطؤ طبيعي له.

...في عام 1965، بدأنا تطبيق مولدات كهربائية MHD تعمل على تحويل الطاقة الحركية للسائل مباشرة إلى "أنبوب MHD من نوع فاراداي". التصميم مختلف، لكن المبدأ نفسه. فيما يلي رسم تخطيطي لمولد فاراداي MHD، مع شريحة مقطعها مربع.

...الصورة التالية، مع إزالة الملفات الحلزونية، تُظهر ترتيب الأقطاب "المقسمة" (لتحقيق توزيع أفضل لمرور التيار داخل الشريحة).

...في التجارب التي أجريناها في ستينيات القرن الماضي في معهد ميكانيكا السوائل بمarseille، أدخلنا غاز أرجون عند 10,000 كلفن، تحت ضغط بار واحد، يدخل بسرعة 2500 متر في الثانية. وعندما بلغ المجال المغناطيسي 2 تيسلا، أصبح المجال الكهرومغناطيسي:

2500 × 2 = 5000 فولت لكل متر

...بما أن المسافة بين الأقطاب المقابلة هي 5 سم، فإن الفرق الجهد كان 250 فولت. وكان يجب طرح 40 فولت (متعلقة بظواهر الجدار بالقرب من الأقطاب)، أي 210 فولت.

...بما أن موصلية الأرجون عند هذه الحرارة تبلغ 3500 مهو بالمتر، حصلنا على كثافة تيار J = σE = σV × B = 735,000 أمبير لكل متر مربع.

أي 73.5 أمبير لكل سنتيمتر مربع. وبطول أنبوب 10 سم وعرض 5 سم (50 سم²)، كان التيار الأقصى الممكن في حالة القصر 3675 أمبير.

...عندما كانت الأقطاب في حالة قصر، وكان التيار أقصى ما يمكن، كانت القوة اللابلاسية الناتجة كافية، كما أظهرت التجربة، لتباطؤ الغاز إلى حد إحداث موجة صدمة مستقيمة، دون الحاجة إلى أي عائق آخر سوى القوة الكهرومغناطيسية.

...إذًا، الغاز الذي يصل بسرعة فائقة على شكل جناح لenticulaire يمتلك طاقته الخاصة التي يمكن استغلالها. الطاقة المطلوبة لإزالة موجات الصدمة كانت بالتالي أقل من الطاقة المستخدمة لتسريع الغاز بالقرب من الحافة الأمامية والخلفية، ناقصة الطاقة الناتجة عن تباطؤه المرتبط بعمل زوج الأقطاب الأوسط.

...كان هذا النتيجة مثيرة جدًا، لأنها أظهرت أن الطاقة المطلوبة لإزالة هذه الموجات أقل مما كان يمكن التوقعه مسبقًا. كانت الخسارة الرئيسية ناتجة عن التأثير الجوليان. وفي حالة آلة طائرة تتحرك في هواء بارد، كان يجب إضافة الطاقة المستخدمة لتنشيط هذا الغاز باستخدام ميكروويف، والتي قمنا أيضًا بحسابها.

...كيف تؤثر قوى لابلاس على ميل موجات ماخ؟

...هذا بسيط جدًا. عندما يعمل الأنبوب MHD، على سبيل المثال، كمولد، أي يبطئ السائل، فإليك كيف تتغير موجات ماخ داخل الأنبوب:

...هذا تباطؤ معتدل للسائل. تبدو الموجات كأنها تتراكم مثل عناصر أورغان. الأقطاب "محمّلة"، مما يحد من كثافة التيار. ويُفهم من هنا كيف يمكن أن يؤدي تباطؤ أكبر إلى إحداث موجة صدمة: عندما تنخفض السرعة إلى درجة يجعل الغاز يميل إلى أن يصبح تحت الصوتي. فتتجمع موجات ماخ، كأنها أورغان مغلق، مما يراكم الاضطرابات الضغطية. ثم تتشكل موجة الصدمة، التي تنتقل بسرعة نحو مدخل الأنبوب، وتميل إلى الاستقرار أمام أول "ستريمر" (تيار كهربائي من أول زوج من الأقطاب)، وكأنه عائق غير مادي.

...أما إذا أدخلنا طاقة كهربائية في النظام، فإن الأنبوب يعمل كمُسرّع MHD من نوع فاراداي. وتبدأ موجات ماخ في الانحناء:

...تم التحقق من هذه التسارع MHD أيضًا في ستينيات القرن الماضي، في المختبر الذي كنت أعمل فيه. وقد أظهرت فعالية كبيرة. وبما أن السرعة عند دخول الأنبوب كانت 2500 م/ث، حصلنا على سرعات خروج تزيد عن 8000 متر في الثانية، أي زيادة في السرعة بأكثر من خمسة كيلومترات في الثانية على مسافة لا تتجاوز عشرة سنتيمترات.

...تُظهر هذه التجارب الفعالية العالية جدًا لعملية MHD على الغاز، بشرط أن يكون معدل التأين كافيًا. لمعلوماتك، هذه الموصلية الكهربائية (3500 مهو/م) في الأرجون تقابل معدل تأين قدره 10⁻³ (أي ذرة واحدة من كل ألف تتحول إلى أيون).

...في الهواء البارد، يجب تنشيط الغاز "اصطناعيًا"، على سبيل المثال بعرض الغاز المحيط لتيار من الميكروويف بتردد 3 جيجاهرتز، والذي يهدف إلى سحب الإلكترونات من المكون الأسهل في التأين: أكسيد النيتروجين NO. ويمكن أيضًا التفكير في إدخال معدن قلوي، مثل السيزيوم أو الصوديوم، الذي يتميز بجهد تأين منخفض.

...لقد قمنا نحن، لبرون وانا، بإجراء جميع هذه الحسابات ضمن أطروحة دكتوراه ممولة من CNRS في ثمانينيات القرن الماضي. وقد أعطت نتائج المحاكاة الحاسوبية تدفقًا كاملًا "منتظمًا" خالٍ من موجات الصدمة. في الشكل التالي، تم عرض العائلتين من موجات ماخ.

...تم تكملة هذا العمل النظري بتجارب تشبيه هيدروليكي، باستخدام دائمًا نفس النظام المكون من ثلاث أزواج من الأقطاب. تم إزالة الموجات الأمامية والخلفية. وبما أن موصلية الماء الحمضي كانت ضعيفة جدًا، لم يكن ممكنًا استخدام طاقة السائل لتحسين التوازن الطاقي. وكانت النتيجة مماثلة لما عرض سابقًا. النتيجة هي تدفق يبقى فيه السائل "مستوياً":

...يمكن للقارئ المهتم أن يجد بعض هذه العناصر في كتبي المصورة "جدار الصمت" (انظر CD-ROM Lanturlu).

كيف يمكن تنفيذ هذه الأبحاث.

...هذه الأفكار جذابة. فهي تفتح آفاقًا لآليات جديدة في الديناميكا السائلة الفائقة الصوتية، حيث بدلًا من التعرض لموجات الصدمة كظواهر لا مفر منها، يمكننا تجنبها بالعكس.

...المشكلة المتعلقة بـ MHD هي القدرة على العمل مع غاز يمتلك موصلية كهربائية كافية. خلال عشرين عامًا من العمل، استكشفنا بالطبع جميع هذه القضايا. وفي عام 1966، كنت أول من نجح في تحقيق تشغيل مولد MHD "بدرجة حرارة مزدوجة" بشكل مستقر.

...أجرينا أيضًا العديد من التجارب في بيئة شبه فراغية (هواء بضغط 10⁻¹ مم زئبق).

• تقييد البلازما على الجدران
• توجيه "الستريمرات" (تيارات حلزونية)
• إلغاء عدم الاستقرار في فيليكوف (عرض في اجتماع MHD في موسكو)
• دراسة تأين الهواء باستخدام HF (1 ميغاهيرتز)

...في مناسبة أخرى، سأشرح في الموقع هذه التجارب والآفاق المختلفة. في الوقت الحالي، دعونا ننظر كيف يمكن تنفيذ تجربة إلغاء موجات الصدمة حول شكل جناح لenticulaire.

...لتحقيق ذلك، يجب توفر معمل هوائي يُنتج تدفقًا غازيًا بدرجة حرارة عالية (أرجون عند 10,000 كلفن). وهذا ممكن باستخدام جهاز تم تطويره بعد الحرب العالمية الثانية (لكنه الآن أصبح من الماضي): "أنبوب الصدمة".

...ما هو هذا الجهاز؟

...لشرح كيفية عمل هذه "مختبر الصدمة"، سنعود مرة أخرى إلى التشبيه الهيدروليكي. تخيل أننا نبني قناة مستقيمة بعرض ثابت، من الخشب الرقائقي. العرض: 10 سم. الطول: عدة أمتار. إليك الرسم التخطيطي:

../../../bons_commande/bon_global.htm