Begin van MHD4
...Bijvoorbeeld, als men een dergelijke model in een vloeistof zou onderdompelen, maar alleen met één paar elektroden, het centrale paar, en deze kortsluiten, zou er een stroom door de gasvulling lopen, die het gas aanzienlijk zou vertragen:
...Een dergelijke vleugelvorm, ondergedompeld in een zeer geleidende gas (of elektrisch geïoniseerd gas), gedraagt zich als een krachtige "MHD-generator". Het is een "MHD-omzetter". Waar komt de energie vandaan? Eenvoudigweg uit de kinetische energie van de stroming. De opgehaalde energie gaat gepaard met een verlies aan kinetische energie in het gas, wat leidt tot een natuurlijke vertraging.
...In 1965 werkten we aan MHD-elektrische generatoren die een directe omzetting van de kinetische energie van een vloeistof in een "MHD-buis van Faraday-type" uitvoerden. De geometrie is anders, maar het principe is hetzelfde. Hieronder een schema van een Faraday-MHD-generator met een vierkante doorsnede.
...Volgende afbeelding: solenoïden verwijderd, de opstelling van de "segmenteerde" elektroden (voor een betere verspreiding van de stroom in de buis).
...In de experimenten die we in de jaren zestig uitvoerden bij het Instituut voor Stromingsmechanica in Marseille, injecteerden we argongas van 10.000°K onder een bar, met een snelheid van 2500 meter per seconde. Het magnetisch veld bereikte 2 tesla, dus de elektromotorische kracht was:
2500 x 2 = 5000 volt per meter
...De afstand tussen de tegenoverliggende elektrodenpaar bedroeg 5 cm, dus de spanning was 250 volt. Er moesten 40 volt worden afgetrokken (spanning veroorzaakt door wandverschijnselen in de buurt van de elektroden), wat overliet 210 volt.
...De elektrische geleidbaarheid van argon bij deze temperatuur bedroeg 3500 mho per meter, dus de stroomdichtheid J = σ E = σ V × B = 735.000 ampère per vierkante meter.
...Dus 73,5 ampère per vierkante centimeter. Voor een buislengte van 10 cm en een breedte van 5 cm (50 cm²) leidde dit tot een maximale stroomsterkte bij kortsluiting van 3675 ampère.
...Wanneer de elektroden kortgesloten waren, was de stroomsterkte maximaal, en zoals het experiment liet zien, was de resulterende Lorentzkracht voldoende intens om het gas te vertragen tot een rechte schokgolf ontstond, zonder dat er andere obstakels waren dan deze elektromagnetische kracht.
...Het gas dat met supersone snelheid op een lenticulaire vleugel terechtkomt, heeft dus eigen energie die kan worden benut. De energie die nodig was om de schokgolven te elimineren, was dus gelijk aan de energie die nodig was om het gas te versnellen bij de aanstroom- en afstroomrand, minus de energie die werd opgehaald door het vertragen van het gas, veroorzaakt door het werk van het centrale elektrodenpaar.
...Dit resultaat was uiterst interessant, omdat het liet zien dat de benodigde energie om deze schokgolven te elimineren lager was dan men a priori zou verwachten. De verliezen waren voornamelijk veroorzaakt door het Joule-effect. Bij een vliegend apparaat dat in koud lucht vliegt, zou men ook de energie moeten investeren om het gas te ioniseren met behulp van microgolven, een energie die wij eveneens hebben berekend.
...Hoe werken de Lorentzkrachten op de helling van de Mach-golven?
...Het is heel eenvoudig. Wanneer de MHD-buis bijvoorbeeld als generator werkt en het vloeistof vertraagt, ziet men de evolutie van de Mach-golven in de buis:
...Het gaat hier om een matige vertraging van de stroming. De golven lijken samen te dringen zoals de blaas van een harmonica. De elektroden zijn "belast", wat de stroomdichtheid beperkt. Hieruit blijkt hoe een grotere vertraging een schokgolf kan veroorzaken: wanneer de snelheid zo ver daalt dat het gas bijna subsonisch wordt. De Mach-golven concentreren zich dan, zoals een harmonica, wat drukverstoringen opbouwt. De schokgolf ontstaat en beweegt snel naar de ingang van de buis, waarbij hij zich stabiliseert voor de eerste "streamer" (elektrische stroomstroom uit het eerste elektrodenpaar), alsof deze een soort immaterieel obstakel vormt.
...Als men daarentegen elektrische energie aan het systeem toevoegt, gedraagt de buis zich als een Faraday-MHD-versneller. De Mach-golven gaan dan liggen:
...Deze MHD-versnelling kon ook in de jaren zestig worden waargenomen in het laboratorium waar ik werkte. Het bleek zeer effectief. Bij een binnenkomende snelheid van 2500 m/s werd een uitgangssnelheid van meer dan 8000 meter per seconde bereikt, wat een snelheidsvergroting van meer dan vijf kilometer per seconde op een afstand van slechts tien centimeter betekent.
...Deze experimenten tonen de uiterst hoge efficiëntie van de MHD-actie op een gas, mits het voldoende geïoniseerd is. Voor informatie: een dergelijke elektrische geleidbaarheid (3500 mho/m) in argon komt overeen met een ionisatiegraad van 10⁻³ (één atoom op duizend wordt tot een ion).
...In koud lucht zou men het gas "artificieel" moeten ioniseren, bijvoorbeeld door het omringende gas te blootstellen aan een microgolfstroom van drie gigahertz, die elektronen losmaakt van het gemakkelijkst ioniseerbare bestanddeel: stikstoxiden (NO). Men kan ook overwegen om een alkalimetaal met laag ionisatiepotentieel, zoals cesium of natrium, toe te voegen.
...Wij hadden deze berekeningen, Lebrun en ik, uitgevoerd in het kader van een doctoraatstudies gefinancierd door het CNRS; in de jaren tachtig. De computer-simulaties gaven een volledig "geëgaliseerde" stroming zonder schokgolven. In de afbeelding hieronder zijn de twee families van Mach-golven weergegeven.
...Dit theoretisch werk werd aangevuld met hydraulische analogie-experimenten, steeds met het systeem van drie elektrodenparen. De voor- en achtergolven konden worden geëlimineerd. Omdat de elektrische geleidbaarheid van zuur water te laag was, kon men de energie van de stroming niet gebruiken om het energiebalans te verbeteren. Het resultaat was identiek aan wat hierboven werd getoond. Het resultaat is een stroming waarbij het medium "plat" blijft:
...De geïnteresseerde lezer kan sommige van deze elementen terugvinden in mijn strip "De Muur van Stilte" (zie cd-rom Lanturlu).
Hoe deze onderzoeken kunnen worden uitgevoerd.
...Deze ideeën zijn aantrekkelijk. Ze openen een nieuwe vorm van supersonische stromingsmechanica waarin men de schokgolven niet hoeft te accepteren als onvermijdelijke verschijnselen, maar ze juist kunt vermijden.
...Het probleem van de MHD is om te kunnen werken met een gas dat voldoende elektrische geleidbaarheid heeft. In twintig jaar werk hebben we natuurlijk al deze vragen uitgebreid onderzocht. In 1966 was ik de eerste die een stabiele, "tweetemperatuur"-werking van een MHD-generator bereikte.
...We hebben ook veel experimenten uitgevoerd in verdunde omstandigheden (lucht bij een druk van 10⁻¹ mm kwik).
- Pariëtale beperking van een plasma
- Beheersing van "streamers" (spiraalvormige stromen)
- Eliminatie van de Vélikhov-onstabiliteit (communicatie op het MHD-congres in Moskou)
- Onderzoek naar luchtionisatie door HF (1 MHz)
...Een andere keer zal ik deze verschillende experimenten en perspectieven uitleggen op de website. Voorlopig bekijken we hoe de experimenten om schokgolven rond een lenticulaire vleugel te elimineren, in de praktijk kunnen worden uitgevoerd.
...Hiervoor is een windtunnel nodig die een hoge-temperatuur gasstroom levert (argon van 10.000°K). Dit is mogelijk met een apparaat dat al na de oorlog werd ontwikkeld (maar tegenwoordig verouderd is): de "schokbuis".
...Wat is het?
...Om het werkingsprincipe van deze "schokgolf-windtunnel" te verklaren, gebruiken we opnieuw een hydraulische analogie. Stel dat we een rechte, constante breedte kanal bouwen in multiplexplaat. Breedte: 10 cm. Lengte: enkele meters. Hier is het schema:
../../../bons_commande/bon_global.htm
