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MHD4 开始

science/mhd

例如,如果我们把这样一个模型浸入流体中,仅配备一对电极(即中间的一对),并将这对电极短路,就会产生一个在气体中闭合的电流,从而显著减缓气体的流动:

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一个这样的翼型浸入高度导电的气体(或被电离的气体)中,其行为就像一个高功率的“MHD发电机”。它实际上是一个“MHD转换器”。能量从何而来?这仅仅是流体的动能。所提取的功率伴随着流体动能的损失,表现为流体自然减速。

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1965年,我们开始实施MHD电能发电机,将流体的动能直接转换为电能,使用的是法拉第型MHD喷管。虽然几何结构不同,但原理相同。下图展示了一个法拉第型MHD发电机的示意图,其通道为方形截面。

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下一张图中,移除了螺线管,展示了“分段式”电极的布置方式(以实现电流在通道中更均匀的分布)。

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在20世纪60年代,我们在马赛流体力学研究所进行的实验中,向该喷管注入了温度达10000开尔文、压力为1个大气压的氩气流,以2500米/秒的速度进入。当磁场达到2特斯拉时,感应电动势为:

2500 × 2 = 5000 伏特/米

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由于相对电极之间的距离为5厘米,因此产生的电压差为250伏特。需要减去40伏特(由电极附近壁面效应引起的电压降),实际有效电压为210伏特。

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在如此高温下,氩气的电导率可达3500西门子/米,因此电流密度 J = σE = σVB = 735,000 安培/平方米,即每平方厘米73.5安培。对于长度为10厘米、宽度为5厘米(总面积50平方厘米)的喷管,短路状态下的最大电流可达3675安培。

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当电极短路时,电流达到最大值,实验表明,由此产生的洛伦兹力足够强大,足以使气体减速到形成一道正向激波,而无需任何物理障碍,仅靠电磁力即可实现。

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因此,当超音速气流冲击一个透镜形翼型时,其本身携带的能量可以被利用。消除激波所需消耗的能量,实际上就是加速气体(在前缘和后缘附近)所消耗的能量,减去因电极对减速作用而产生的能量回收。

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这一结果极为重要,因为它表明,消除激波所需能量远低于人们最初预想的水平。能量损失主要来自焦耳热效应。对于在冷空气中飞行的飞行器,还需额外消耗能量来通过微波(3吉赫兹)电离气体,我们对此也进行了估算。

洛伦兹力如何影响马赫波的坡度?

这非常简单。例如,当MHD喷管作为发电机运行时,即减速流体,马赫波在喷管内的变化如下:

这是流体的适度减速。马赫波看起来像手风琴的褶皱一样被压缩。电极处于“负载”状态,限制了电流密度。由此可以理解,为何更剧烈的减速会引发激波:当速度降低到接近亚音速时,马赫波会集中压缩,如同手风琴收缩,导致压力扰动不断累积,最终形成激波。该激波会迅速向喷管入口移动,并在第一个“流光束”(即第一对电极产生的电流射流)前稳定下来,仿佛它构成了某种无形的障碍。

相反,如果向系统注入电能,喷管则表现为法拉第型MHD加速器。此时马赫波趋于平展:

这种MHD加速效应在20世纪60年代我们工作的实验室中也已得到证实,效果非常显著。喷管入口速度为2500米/秒,出口速度达到8000米/秒以上,仅在约10厘米的距离内,速度提升了超过5公里/秒。

这些实验表明,只要气体具有足够高的电离度,MHD对气体的作用极为高效。值得一提的是,氩气在该电导率(3500西门子/米)下,其电离度约为10⁻³(每千个原子中有一个被电离)。

在冷空气中,必须“人工”电离气体,例如将周围气体暴露于3吉赫兹的微波流中,从而优先剥离最容易电离的成分——一氧化氮(NO)。此外,也可考虑引入低电离势的碱金属,如铯或钠。

因此,我和勒布伦在20世纪80年代,基于法国国家科学研究中心(CNRS)资助的博士论文,进行了上述所有计算。计算机模拟结果显示,流动完全“规整化”,完全消除了激波。下图展示了两组马赫波。

这一理论工作随后通过水力模拟实验得到补充,同样采用三对电极系统。船首和船尾的波浪得以消除。由于酸化水的电导率太低,无法利用流体能量改善能量平衡。结果与前述一致:流体流动保持“平坦”。

对这一主题感兴趣的读者,可在我的漫画作品《寂静之墙》(见Lanturlu光盘)中找到部分相关内容。

如何实现这些研究成果?

这些想法极具吸引力。它们开启了一种全新的超音速流体力学范式:不再将激波视为不可避免的必然现象,而是可以主动避免。

MHD技术的核心挑战在于,必须使气体具备足够高的电导率。在二十年……