MHD3 시작
.. 점선은 유체가 물체를 향해 이동하는 동안 그 사이에 공간을 확보하기 위해 벗어나는 영역을 나타내야 한다.
... 초음속에서는 소리파가 물체가 도달하기 전에 유체에 "정보를 전달"할 수 없다. 따라서 기체는 "예상치 못한 상황"에 놓이며, 충격파를 형성하게 된다. 따라서 문제는 물체의 상류에서 원거리로 작용하여 기체가 공간을 내어주도록 유도하는 방법을 찾는 것이었다.
.. 첫 번째 해결책은 초음속으로 공기 중에 날개 형상이 침입하는 경우를 고려한 것이다. 이 물체가 공기에 미치는 충격 효과로 인해 공기가 급격히 느려진다는 점을 알고 있다. 따라서 날개의 전방 가장자리 근처에서 기체 흐름을 원활하게 하면서, 상류에서 기체의 속도를 미리 줄이는 것이 합리적으로 보였다. 이는 그림에 표시된 바와 같이, 도면 평면에 수직인 자기장을 적용하고, 벽면에 두 개의 전극을 배치함으로써 가능하다. 가스 내에서 흐르는 전류선이 표시되어 있다. 그 결과 라플라스 힘(Lorentz 힘, 영미권에서는 이 용어를 사용)이 발생하며, 이는 "세 손가락 법칙"에 따라 작용한다.
.. 다음은 전기자기력장의 일반적인 분포도로, 전류선과 수직이다.
.. 이렇게 함으로써 세 가지 장점을 얻을 수 있다:
..- 물체 앞에서는 상류에서 유체를 미리 감속시킬 수 있다.
..- 유체의 벗어나는 흐름을 시작할 수 있다.
...- 벽면을 따라 기체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
... 단위 부피당 전기자기력은 J × B 로 표현되며, 여기서 B 는 테슬라(T)로 나타내는 자기장 강도(1테슬라 = 10,000 기아우스), J 는 전류 밀도(암페어/제곱미터)이다. 이 힘은 제곱미터당 뉴턴(N/m³)으로 표현된다.
.. 단순히 1cm²당 1암페어(즉, 1m²당 10,000암페어)의 전류 밀도가 10테슬라의 자기장과 결합하면, 기체 1m³당 10톤의 힘이 발생하게 되며, 이는 흐름에 원하는 효과를 강제하기에 충분하다.
.. 이 힘은 전극 근처에서 가장 강하며, 여기서 전류가 집중되고 전류 밀도 J 가 최대가 된다.
.. 문제는 당연히 정상 온도에서 매우 우수한 절연체인 공기 중에 그러한 전류를 통과시키는 것이다. 이 문제는 나중에 다룰 예정이다.
.. 처음에는 1976년에 수리 실험 기반의 시뮬레이션을 선택했다. 유체는 전기 전도성을 높이기 위해 산성 물로 사용되었다. 실험 규모를 결정해야 했다. 우리는 몇 제곱센티미터 내에서 1테슬라의 자기장을 제공하는 장치를 보유하고 있었다. 유동 속도는 초당 8cm였다. 물의 밀도가 1000kg/m³이므로, 상호작용 매개변수:
에서 L 은 모형의 특성 길이이다.
... 1976년 첫 번째 시험에서 선체파가 제거되었다. 우리는 렌즈형 모형을 사용했지만, 초기 시험은 원통형 모형에서 수행되었으며, 이 경우 원통형 장애물로부터 거리가 있는 곳에 분리된 충격파와 유사한 선체파가 발생했다:
.. 여전히 도면 평면에 수직인 자기장을 사용하여, 그림에 표시된 대로 두 개의 전극을 배치함으로써 선체파를 제거하였다. 전자석의 극자 형태도 함께 나타내었다. 모형 지름: 7mm. 벽면에 삽입된 전극 폭: 2mm.
... 위 그림은 전기자기력이 없을 때의 파동을 보여주며, 다음 그림은 선체파가 제거된 후의 상태를 보여준다.
... 산성 물을 통과하는 전류와 수직 자기장이 결합하여 발생하는 라플라스 힘은 다음 그림과 같다:
.. 이 힘은 전극 근처에서 특히 강하며, 여기서 전류가 집중되고 전류 밀도 J 가 최대가 된다. 상류에서는 유체의 속도를 감속시킨다. 그러나 이러한 힘장은 파동 시스템을 완전히 제거하기에 부적절하다. 원통형 장애물에 단일 전극 쌍을 사용한 실험에서는, 이 파동들이 모형 뒤쪽으로만 집중되었다. 그러나 그림에서 보듯이, 이는 "정지점"에 저압 구역을 형성하는 데 충분했으며, 이 시스템이 MHD 추진에도 활용될 수 있음을 보여준다.
.. 파동 시스템 전체를 제거하는 것은, 이러한 수리 시뮬레이션을 통해 확인된 바와 같이, 이번에는 세 쌍의 전극을 사용한 렌즈형 모형 주위에서 가능하다. 실제로 이전 그림을 참조하면, 마흐파가 두 영역(상류 및 하류)에서 마흐파가 겹쳐져 나타남을 알 수 있다.
... 우리는 베르트랑 르브룅의 박사학위 논문을 통해, 라플라스 힘을 이용하여 모형 주위에 평행한 마흐파 시스템을 형성함으로써 초음속 흐름을 정규화하는 핵심 개념을 최초로 제안했다:
.. 두 번째 종류의 특성인 마흐파는 그림에 나타내지 않았다.
... 따라서 세 가지 조치가 필요하다:
...- 모형의 전방 가장자리 근처에서 마흐파가 다시 직선으로 돌아오지 않도록 하기 위해, 이 영역에서 유체를 가속화한다.
...- 이 파동들이 "팽창 범위" 내에서 모형 측면에 붙지 않도록 한다.
..- 마지막으로 후방 가장자리 근처에서 다시 가속화한다.
.. 이에 따라 세 개의 벽면 전극 시스템이 필요하다:
... 자기장은 도면 평면에 수직이었지만, 적절한 힘장 구조를 만들기 위해 컴퓨터 시뮬레이션에서 이를 "가공"해야 했다. 이는 여러 개의 코일을 조합하여 실현 가능했다. 전극 근처에서는 라플라스 힘이 다음과 같이 개략적으로 배열되었다:
... 르브룅의 박사학위 논문(1990년 일본 츠쿠바에서 열린 제7차 국제 MHD 회의 및 베이징에서 열린 제8차 국제 MHD 회의 발표, 그리고 The European Journal of Physics 저널 게재)은 이 작업의 이론적 실현 가능성을 입증했다. 이 결과는 여러 점에서 흥미롭다. 실제로 유체를 가속화할 때는 에너지를 공급하는 반면, 감속시킬 때는 유체가 에너지를 공급한다. 왜냐하면 모형을 따라 속도 V 로 흐르는 유체는 전기력 V × B 를 발생시키기 때문이다. 이 전기력은 전류 밀도 J = σ(V × B) 를 유도하며, 여기서 σ 는 전기 전도도이다. 이 전류 밀도가 자기장과 결합하여 라플라스 힘 J × B = σ(V × B) × B 를 형성한다.
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