MHD5実験の開始

science/mhd MHD

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • この記事では、衝撃波を模倣するための水力衝撃波を用いたMHD(磁気流体力学)実験について述べている。
  • 水槽と仕切りを用いて波を発生させる方法、そしてその波を高温ガス流に変換する方法が説明されている。
  • 実験にはソレノイド、コンデンサ、イグニトロンなどの部品が用いられ、強力な磁場を生成している。

MHD5の開始

...水力学的類推において、直線状の衝撃波の伝播は「波が打ち寄せられる」現象に相当する。この現象をどのように生成するか?部分Bにわずかな水深を、部分Aにより大きな水深を設けるだけでよい。膨張槽には、まったく水を含まない。断面図では:

...試験準備完了。水門の仕切り板を非常に迅速に取り除く。着色された水(例:フロレセインで着色)の質量が下流側の水路に急激に流れ込み、次のようになる:

...観察されるのは何か?無色の水を動かす液体波の前線として、波が打ち寄せられる現象が発生する。しかし、この波の前線は水そのものよりも速く移動している。

...下流側では、やや穏やかな膨張波が発生する。これは衝撃波ではない。

...わずかに時間が経過した後、状態は次のようになる:

...減圧波が「水槽」の底に到達する。透明な水が「押し出され」運動状態にされた部分と界面との間の距離が増大している。したがって、清浄な水が運動状態にされ、水位が上昇した(気体における圧力の水力学的類推)という利用可能な乱流を得られる。この乱流に対して「作業」が可能になる。その後、減圧波は水槽の底で反射し、速やかに界面と波前線の全体を追いつくようになる。

...もし側壁に「観測窓」があれば、「乱流期間」中に運動状態にされた清浄な水の塊が通過している様子が観測できたはずである。この全体の状態は「x-t図」で読み取れる:

...ここでは、「衝撃管」の動作を忠実に模倣した図が得られている。水門を「高圧室」に置き換えるだけでよい。水門の仕切り板は、手動で操作可能な銅製のダイアフラムであり、燃焼室で達成された圧力が十分に高くなったときに開く。試験用通路は、一定断面の試験管に変わる。初期状態では、低圧のアルゴンガス(13mmHg)で満たされている。膨張槽は、任意の形状の単なる真空貯蔵タンクである。紙製の仕切り板は、衝撃波が到達したときに破れるマイルラ膜に置き換える。以下は装置の概略図である:

...高圧室の長さ:1.4メートル。直径(試験流路と同じ):5.6cm。試験流路の長さ:6メートル。下部には、ストライプ加工により脆くされた赤銅板の膜があり、4つのペタル状に開き、燃焼ガスの自由な通過を可能にする。高圧室には、H2 + 1/2 O2の混合ガスにヘリウムを希釈剤として加えたものが充填されている。膨張タンクは、真空を引きやすい十分な強度を持つ一般的なドラム缶である。装置は、入手しやすい中古のパレット式真空ポンプ(10-2 mmHg(10-2 torr)以下の真空を達成)と、真空に密封可能なバルブで補完される。また、水素、酸素、ヘリウムを供給するボンベのセットを追加する。さらに、アルゴンも用意する。

...可燃ガス混合物は、高電圧電源に接続された点火プラグによって点火される。このシステムは電磁ノイズを発生させるため、高圧部全体はファラデーケージ(木製フレームと1mmメッシュの銅網)で囲まれている。簡素だが効果的である。低圧の20cm程度のアルゴンガスは、1barの圧力と10,000Kの高温を持つ圧縮ガスの円柱状に変化し、直ちに「燃焼ガス」(水蒸気とヘリウムの混合物)が続く。

...これで、高温パルス風洞の部分は完成である。

...測定およびMHD実験を実施する試験流路では、断面は正方形(5cm × 5cm)である。したがって、円形断面から正方形断面に変換する、加工が難しい部品を設置する必要がある:

...MHDノズルは、接着されたアクリル(plexiglass)または強度のある積層プラスチックで製作可能であり、良好な光学性能を持つ窓を備えることができる。アルゴンの温度は高いが、乱流の持続時間が非常に短い(8000万分の1秒)ため、ノズル部品は損傷を受けない。

...横方向の磁場を生成するため、以下の配置の2つのソレノイドを使用する:

...次の図では、ソレノイドの一つを取り除いて、模型(レンズ型翼型)の配置を示している:

...MHDノズルの体積(設置スペースを含む)は約1リットルであり、生成すべき磁場は20,000ガウス(2テスラ)であるため、ソレノイドの巻線に非常に大きな電流(50,000アンペア)を流さなければならない。このような電流は、ジュール熱のためではなく、巻線自体に働くJ×B力によって、ソレノイドが爆発する傾向がある。したがって、赤銅線の巻線には、例えばアラルドイトに浸したガラス繊維で作られた「コルセット」を装備する必要がある。

...MHD相互作用の実験そのものは短時間であるため、高電流を経済的に生成する方法として、コンデンサバンクを用いてコイルに放電(振動放電)する方法がある。全体を同期させ、アルゴンの高温パルスが通過するタイミングで磁場Bがほぼ定常状態になるようにする(放電周期:5ミリ秒)。

...次の図は、1960年代に私の研究室にあったMHD実験用衝撃波風洞の様子である。

...コンデンサは5kVで充電されていた。より小型のコンデンサバンクは、模型の電極を駆動する電源として使用された。

...問題:50,000アンペアを切り替えるにはどうすればよいか?答え:電気機関車用の古いイニチトロン(2000アンペアのスイッチングを設計)を使用する。これは、25倍の電流でも何百回も試行に耐えうるほど頑丈である。イニチトロンは電力技術の専門家にはよく知られている。

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