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MHD5 开始

science/mhd

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在水力类比中,平面激波的传播相当于“破浪”的过程。我们该如何制造这种破浪呢?只需在B区放置少量水,而在A区放置较多的水即可。在扩压池中:完全无水。横截面如下:

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实验准备就绪。我们迅速移除闸门隔板,染色的水体(例如使用荧光素染色)将冲入下游渠道,形成如下景象:

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我们观察到什么?一道破浪从起点出发,形成一个液体波前,推动无色的水体运动。但波前的传播速度比水体本身更快。

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向下游方向,出现一种较“柔和”的膨胀波,这并不是激波。

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片刻之后,情况如下:

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膨胀波到达水槽底部,清澈水体被推动并加速,与界面之间的距离增大。因此我们获得了一股可用的“气流”,其中纯净水被加速,水位随之升高(这相当于气体中的压力)。我们便可以利用这股气流进行实验。随后,膨胀波在水槽底部反射,并迅速追上波前与界面的组合体。

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可以看出,若在侧壁设置一个“观察窗口”,在“气流持续时间”内,我们就能看到这股被推动的纯净水流过。整个过程可在“x-t图”上清晰呈现:

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我们在此获得了一个与“激波管”工作原理完全对应的水力类比。只需将闸门替换为“高压室”,将人工手动操作的隔板替换为铜膜片,当压力达到足够值(由燃烧室产生)时,铜膜片便会破裂开启。试验通道变为一个截面恒定的试验管,初始充满低压氩气(13毫米汞柱)。扩压池则只是一个形状任意的真空容器。纸制隔板被聚酯薄膜取代,当激波到达时薄膜破裂。以下是装置的示意图:

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高压室长度为1.4米,直径(与试验流道相同)为5.6厘米。试验流道长度为6米。底部为红色铜膜,通过刻痕使其脆化,破裂时形成四个瓣片,使燃烧气体顺利通过。高压室中充入氢气与半量氧气的混合气体,以及作为稀释剂的氦气。扩压容器只是一个足够坚固的普通桶,可抽真空。装置还配有多种旋片式真空泵,可轻松获得低于10⁻²毫米汞柱(10⁻²托)的真空度,以及高真空密封阀。另需配备提供氢气、氧气、氦气和氩气的气瓶。

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可燃气体由连接高压电源的点火电极点燃。由于该系统会产生电磁干扰,高压部分被置于法拉第笼内(木制框架加铜网,网孔1毫米)。虽简陋,但有效。6米长的低压氩气迅速转变为一段长约二十厘米、压力为1个大气压、温度高达10000开尔文的压缩气体柱,随后紧随其后的是“燃烧气体”,即水蒸气与氦气的混合物。

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至此,完成了“热脉冲风洞”的构建。

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在进行测量和MHD实验的试验段中,截面为方形(5厘米×5厘米)。因此需要加工一个精细的过渡件,将圆形截面平滑过渡到方形截面:

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MHD喷管可用有机玻璃(通过粘接)或层压塑料(强度更高)制造,并配备高质量光学窗口。尽管氩气温度很高,但由于气流持续时间极短(仅八十万分之一秒),并不会损坏喷管部件。

为产生横向磁场,将使用两个螺线管,布置如图所示:

在下图中,移除了其中一个螺线管,以展示模型(透镜形机翼)的布置:

MHD喷管(含结构体积)总体积约为一升,需产生20000高斯(2特斯拉)的磁场,因此螺线管绕组中必须通过极大电流(50000安培)。如此大的电流会使螺线管爆炸,不是由于焦耳热,而是因为绕组内部存在J×B力。必须为铜绕组加装类似“束带”的结构,例如用玻璃纤维浸渍环氧树脂制成。

由于MHD实验本身持续时间极短,为经济高效地实现如此大电流,可采用电容器组向电感放电(振荡放电)。只需同步控制,使实验(在高温氩气脉冲通过时)恰好发生在磁场B接近稳定的状态下(放电周期为5毫秒)。

下图为20世纪60年代我在实验室中所用的激波风洞,已配备MHD实验装置。

电容器充电电压为5千伏。一组较小的电容器则用于为试验模型的电极供电。

问题:如何切换50000安培的电流?答案:使用一台旧式电力机车用的整流管(原设计用于切换2000安培,但足够坚固,可承受25倍于额定电流的数百次试验)。整流管在电力工程领域广为人知。