Bijvoorbeeld, als men een dergelijke modelvliegtuigvleugel onderdompelt zonder dat er meer dan één paar elektroden is, namelijk het middelste paar, en deze kortsluit, zou er een stroom door de gasstroom lopen die zich in het gas sluit, met als gevolg dat de stroom aanzienlijk vertraagd wordt:
Een dergelijke vleugelvorm, ondergedompeld in een sterk geleidende gas (of elektrisch geleidend gemaakt), gedraagt zich als een krachtig "MHD-generator". Het is een "MHD-omzetter". Waar komt de energie vandaan? Eenvoudigweg uit de kinetische energie van de stroming. De opgenomen energie gaat gepaard met een verlies aan kinetische energie in de stroming, wat leidt tot een natuurlijke vertraging.
In 1965 voerden we elektrische MHD-generatoren uit die een directe omzetting van de kinetische energie van een stroming in een "MHD-afsluiting van het type Faraday" mogelijk maakten. De geometrie is anders, maar het principe blijft hetzelfde. Hieronder staat een schema van een Faraday-MHD-generator met een vierkante dwarsdoorsnede.
Volgende afbeelding: solenoïden verwijderd, de indeling van de "segmenteerde" elektroden (om een betere verspreiding van de stroom in de stroming te verkrijgen).
In de experimenten die we in de jaren zestig uitvoerden bij het Instituut voor Stromingsmechanica in Marseille, injecteerden we een stroom argon 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 × 2 = 5000 volt per meter
De afstand tussen de tegenoverliggende elektrodenpaar was 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 = σE = σV × 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 sterk om het gas zo te vertragen dat een rechte schokgolf ontstond, zonder dat er andere obstakels waren dan deze elektromagnetische kracht.
De stroming die met supersone snelheid op een lensvormige vleugel aankomt, bezit dus zijn 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 aanvoer- en afvoerzijde, verminderd met de energie die vrijkwam door het afremmen van het gas, veroorzaakt door het werken van het middelste elektrodenpaar.
Dit resultaat was uiterst interessant, omdat het liet zien dat de energie die nodig was om deze schokgolven te elimineren lager was dan men a priori zou denken. Het grootste verlies vond plaats door het Joule-effect. Bij een vliegende machine die in koud lucht vliegt, moet men ook nog energie besteden 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, dus de stroming vertraagt, dan ziet men de volgende evolutie van de Mach-golven in de buis:
Hier gaat het om een matige vertraging van de stroming. De golven lijken samen te dringen zoals de blaasjes van een harmonica. De elektroden zijn "belast", wat de stroomdichtheid beperkt. Hierdoor begrijpt men hoe een sterkere 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 drukperturbaties opbouwt. De schokgolf ontstaat en beweegt snel naar de ingang van de buis, waar ze zich stabiliseert voor het eerste "streamer" (stroomstroom afkomstig van het eerste elektrodenpaar), alsof dit 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 ingangssnelheid 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 betekent over een afstand van slechts tien centimeter.
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 is geïoniseerd).
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 te ioniseren bestanddeel: stikstofoxide NO. Men kan ook overwegen om een alkalimetaal met een laag ionisatiepotentieel, zoals cesium of natrium, toe te voegen.
Wij hadden, Lebrun en ik, deze berekeningen uitgevoerd in het kader van een doctoraatsproef gefinancierd door het CNRS; in de jaren tachtig. De computermodellen gaven een volledig "geïntegreerd" stromingspatroon 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 achtergolf konden worden geannihileerd. 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 is identiek aan wat hierboven werd getoond. Het resultaat is dat een stroming ontstaat waarin de vloeistof "plat" blijft:
De geïnteresseerde lezer kan sommige van deze elementen terugvinden in mijn strip "De Muur van Stilte" (zie cd-rom Lanturlu).
Hoe kunnen deze onderzoeken worden toegepast?
Deze ideeën zijn aantrekkelijk. Ze openen de weg naar een nieuwe vloeistofmechanica bij supersone snelheden, waarin men in plaats van de schokgolven als onvermijdelijke verschijnselen te moeten accepteren, ze juist kan vermijden.
Het probleem van de MHD is om met een gas te kunnen werken dat voldoende elektrisch geleidend is. In twintig jaar werk hebben we natuurlijk al deze vragen uitgezocht. In 1966 was ik de eerste die een stabiele "tweetemperaturen" MHD-generator werkte.
We hebben ook vele experimenten uitgevoerd in verdunde omstandigheden (lucht bij een druk van 10⁻¹ mm kwik).
-
Pariëtale beperking van een plasma
-
Leiding van "streamers" (spiraalvormige stromen)
-
Vernietiging van de Vélikhov-onstabiliteit (communicatie op het MHD-congres in Moskou)
-
Onderzoek naar luchtionisatie door HF (1 MHz)
Eens zal ik, op deze website, deze verschillende experimenten en mogelijkheden uitleggen. Voorlopig bekijken we hoe de annihilatie van schokgolven rond een lensvormige vleugel concreet zou kunnen worden uitgevoerd.
Hiervoor is een windtunnel nodig die een hoge-temperatuur gasstroom levert (argon van 10.000°K). Dat is mogelijk met een apparaat dat al na de oorlog werd ontwikkeld (maar tegenwoordig in onbruik is geraakt): de "schokbuis".
Wat is het?
Om het werken van deze "schokgolfwindtunnel" te verklaren, maken we opnieuw gebruik van de hydraulische analogie. Stel dat we een rechte, constante breedte (10 cm) en enkele meters lang kanaliseren bouwen in multiplex. Hier is het schema: