
虚线表示流体在物体前方发生分离流动的区域,为物体让出空间。

在超音速情况下,声波无法在物体到达之前“通知”流体。因此气体“措手不及”,其反应是形成激波。因此,研究思路是寻找一种在物体上游远距离作用的方法,以操控气体,使其主动让出空间。

一种初步解决方案是将机翼剖面以超音速插入空气中。众所周知,物体对空气的冲击会导致空气急剧减速。因此,合理的方法是在机翼前缘附近促进气体沿表面流动,同时在上游提前启动气体减速。这可以通过在垂直于图面方向施加磁场,并在壁面布置两块电极来实现,如图所示。图中显示了在气体中流动的电流线。结果产生洛伦兹力(英语国家称为拉普拉斯力),遵循“右手定则”。

下图显示了电磁力场的总体分布,其方向垂直于电流线。

由此我们获得了三方面的优势:

- 在物体前方,提前在上游区域开始减速流体。

- 引发流体的分离流动。

- 促进气体沿壁面的流动。

单位体积的电磁力为 J × B,其中 B 是磁感应强度(单位为特斯拉,1特斯拉等于10000高斯),J 是电流密度(单位为安培每平方米)。因此,力的单位为牛顿每立方米。

若电流密度为每平方厘米1安培(即每平方米10000安培),配合10特斯拉的磁场,可产生每立方米气体10吨的力,足以实现期望的流动控制效果。

力在电极附近最强,因为电流在此集中,电流密度最高。

显然,问题在于如何在原本是优良绝缘体(常温下)的空气中通过如此大的电流。我们将在后续讨论这一问题。
最初,1976年,我们采用基于水力学实验的模拟方法。流体使用酸化水(以提高其导电性)。接下来需要确定实验参数。我们有一套磁场装置,可在几立方厘米的空间内产生1特斯拉的磁场。流速为每秒8厘米。水的密度为1000千克/立方米,因此可计算出使相互作用参数满足要求的最小电流密度 J:
其中 L 为模型的特征尺寸。
1976年首次实验即成功消除了船首波。我们使用的是透镜形模型,但最初的实验是在圆柱形模型上进行的,其上产生了一种模拟脱离式激波的船首波,出现在圆柱体障碍物前方一定距离处:
在保持磁场方向垂直于图面的前提下,通过如图所示布置的两块电极,成功消除了船首波。图中还显示了电磁铁的极片布置方式。模型直径:7毫米。嵌入壁面的电极宽度:2毫米。
上图显示了无电磁力作用时的波形,下图则显示了船首波被消除后的波形。
在酸化水中通过电流,与横向磁场结合,产生的洛伦兹力如图所示:
这些力在电极附近尤为强烈,因为电流在此集中(电流密度 J 最大)。在上游区域,这些力导致流体减速。但该力场尚不足以完全消除波系。在仅配备一对电极的圆柱形障碍物实验中,这些波仅被简单地集中到模型下游。然而,如图所示,这已足以在“驻点”处形成低压区,表明此类系统还可用于MHD推进。
通过水力模拟实验(已验证),使用三对电极围绕透镜形模型,可完全消除整个波系。事实上,如前所述,马赫波的产生源于上游和下游两区域马赫波的叠加。
我们是首批(Bertrand Lebrun博士论文)提出利用洛伦兹力在模型周围建立平行马赫波系统,从而实现超音速流动调控的关键概念的团队:
第二类特征——马赫波——未在图中表示。
因此需要三种作用:
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在模型前缘附近防止马赫波重新抬头,通过加速该区域的流体。
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防止马赫波在“膨胀扇区”内“趴下”到模型侧面。
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最后,在后缘附近重新加速流体。
由此形成三对壁面电极的系统:
磁场垂直于图面,但为产生合适的力场,在计算机模拟中需“雕刻”磁场分布,这可通过多个耦合螺线管实现。在电极附近,洛伦兹力的分布示意如下:
Lebrun的博士论文(发表于1990年日本筑波第七届国际MHD会议、北京第八届国际MHD会议,以及《欧洲物理杂志》)证明了该方法在理论上是可行的。这一成果具有多重重要意义。事实上,当加速流体时,我们向其输入能量;而当减速时,流体则输出能量。这是为什么?因为流体沿模型以速度 V 流动,会产生电动势 V × B。该电动势倾向于产生电流密度 J = σ(V × B),其中 σ 为电导率……