Magnetohydrodynamika

Magneto-hydrodynamiczne (MHD) jest dyscypliną naukową, która opisuje zachowanie płynnego przewodnika prądu elektrycznego w obecności pól elektromagnetycznych . Dotyczy to w szczególności plazmy , jądra zewnętrznego, a nawet wody morskiej .

Jest to uogólnienie hydrodynamiki (częściej nazywanej dynamiką płynów , zdefiniowanej równaniami Naviera-Stokesa ) sprzężonej z elektromagnetyzmem ( równaniami Maxwella ). Między "klasyczną" mechaniką płynów a magnetohydrodynamiką znajduje się elektrohydrodynamika lub mechanika zjonizowanych płynów w obecności pól elektrycznych ( elektrostatycznych ), ale bez pola magnetycznego .

Elektrownie magnetohydrodynamiczne oferują potencjał do wytwarzania energii na dużą skalę przy zmniejszonym wpływie na środowisko. Generatory MHD są również interesujące do wytwarzania dużych impulsów energii elektrycznej.

Historyczny

Pierwszym naukowcem, który zainteresował się tym tematem, był Humphry Davy w 1821 roku, kiedy wykazał, że łuk elektryczny może być odchylany przez pole magnetyczne. Dziesięć lat później Michael Faraday planuje wykazać istnienie siły elektromotorycznej w poruszającym się przewodniku elektrycznym poddanym działaniu ziemskiego pola magnetycznego  ; jest to zjawisko indukcji elektromagnetycznej . Mając to na uwadze, w styczniu 1832 roku udoskonalił pierwszą koncepcję generatora MHD, którą przetestował na moście Waterloo w Londynie . Chociaż przypadkowe, to doświadczenie doprowadzi do powstania prawa Lenza-Faradaya .

Produkcja energii elektrycznej w dogłębne badania przez MHD kontynuować XX th  century, najpierw prowadzone przez węgierskiego fizyka Béla Karlovitz  (in) , która rozwija generatora MHD w laboratoriach Westinghouse w roku 1938. W międzyczasie, szwedzki fizyk Hannes Alfvén , który był pierwszy używać terminu magnetohydrodynamiki w 1942 roku studia na propagację fal Alfvén w osoczu z magnetosfery . Rozwój i badania nad MHD przerwane w czasie II wojny światowej wznowiono w latach 60. XX wieku dzięki pracy Richarda J. Rosy i pomocy Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, który następnie rozpoczął badania w laboratoriach Avco Everett.

Jednocześnie możliwe zastosowania fizyki plazmy do nowych osiągnięć technologicznych (tłumienie i odbicie fal uderzeniowych , fuzja jądrowa , napęd MHD ) ukierunkowują pierwsze badania zainicjowane przez inżynierów napędzające MHD jako wektor badań strategicznych podczas zimnej wojny, o czym świadczy dokument odtajniony przez Amerykańskie Siły Powietrzne w 1992 r. i rozpowszechniany przez magazyn Jane's Defense Weekly w 1998 r. Po raz pierwszy wyreżyserowany przez Toma Clancy'ego w jego powieści szpiegowskiej Polowanie na Czerwony Październik , tryb napędu MHD, został później ujawniony szerokiej publiczności w filmowej adaptacji powieści W pogoni za Czerwonym październikiem w 1990 roku. Ta fikcja stała się rzeczywistością 19 czerwca 1992 roku wraz z pierwszą nawigacją japońskiego cywilnego MHD napędzanego demonstrator statku Yamato 1 .

Różne modele MHD

Istnieje kilka modeli magnetohydrodynamiki w zależności od wymaganego stopnia złożoności. Do najczęściej używanych i prostszych należą:

Wybór jednego lub drugiego z tych dwóch modeli zależy od wartości magnetycznej liczby Reynoldsa R m . Ta liczba, używana w MHD, jest więc nazwana przez analogię do liczby Reynoldsa w hydrodynamice, wskazuje na znaczenie terminu konwekcja w porównaniu z dyfuzją w płynie poddanym polu magnetycznemu.

Jednak oprócz wyboru między idealnym MHD a rezystancyjnym MHD, konieczna jest również lepkość płynu, w którym przeprowadza się badanie. W tym celu wprowadzamy liczbę Hartmanna, która jest stosunkiem sił magnetycznych do sił lepkości.

Idealny MHD

Idealnym MHD , zwany również wysoka liczba Reynoldsa magnetycznego (R m »1) jest najprostszy MHD. Płyn poddany działaniu silnego pola magnetycznego jest traktowany jako mający niewielki lub żaden opór elektryczny i jest asymilowany jako doskonały przewodnik. Prawo Lenza ma zastosowanie tak, że linie płynu i pola magnetycznego są ze sobą splecione: mówią, że linie pola są „zamrożone” („  zamrożone  ”) w płynie (można też powiedzieć, że płyn jest zamarznięty w polu magnetycznym). W przypadku, gdy płyn jest doskonałym przewodnikiem, zanurzonym w stałym i jednolitym polu magnetycznym Bo, w którym rozchodzi się w tym samym kierunku co orientacja tego pola, fala, której pole magnetyczne jest prostopadłe do Bo, mówimy, że twierdzenie Alfvéna jest zadowolona. Analogią jest porównanie płynu z grzebieniem, a linie pola z włosami: ruch włosów jest dokładnie taki sam, jak ruch grzebienia. Ten idealny MHD jest badany w gorącej plazmie, takiej jak plazma astrofizyczna i termojądrowa pochodzenia naturalnego ( gwiazdy ) lub sztucznego ( tokamaki ).

Równania idealnej MHD składają się z równania ciągłości , praw pędu , twierdzenia Ampera (w granicach braku pola elektrycznego i rozpraszania elektronów) oraz równań termodynamiki ( zasada zachowania energii ). Podobnie jak w przypadku każdego opisu płynów układu kinetycznego, przybliżenia przepływu ciepła są dokonywane w warunkach adiabatycznych lub izotermicznych .

Rezystancyjny MHD

Rezystancyjny MHD , zwane nisko magnetycznego liczba Reynoldsa (R m ≤ 1) opisuje namagnesowane płynu i nie jest idealnie przewodzi. Ogólnie mówimy o rezystywności generowanej przez zderzenia między składnikami plazmy, które przekształcają energię magnetyczną w ciepło (ogrzewanie Joule'a). Gdy rezystywność nie jest pomijalna ( mała liczba Reynoldsa ), twierdzenie Alfvena nie jest już spełnione i topologia magnetyczna może zostać złamana.

W płynie uważanym za niedoskonały przewodnik ewolucję pola magnetycznego w płynie określa równanie indukcji rezystancyjnej. Lokalna zmienność pola magnetycznego w czasie jest wynikiem jego adwekcji przez płyn i jego dyfuzji w płynie. Liczba Reynoldsa jest odwrotnością operatora dyfuzji, im jest większa, tym bardziej można pominąć dyfuzję w odniesieniu do adwekcji. Możemy określić ilościowo znaczenie dyfuzji, konstruując czas dyfuzji.

Na przykład w Słońcu szacujemy czas dyfuzji przez aktywny obszar (oporność kolizyjna) na setki lub tysiące lat, czas trwania znacznie dłuższy niż żywotność plamy słonecznej , dlatego zaniedbujemy rezystywność (w przypadku idealnej MHD). I odwrotnie, metr sześcienny wody morskiej ma czas dyfuzji mierzony w milisekundach , który należy wziąć pod uwagę (rezystancyjny MHD). W porównaniu z idealnym MHD rezystancyjny MHD implikuje dodatkowy termin w twierdzeniu Ampere'a modelującym oporność kolizyjną.

Nawet w wystarczająco dużych układach fizycznych i dobrych przewodnikach, gdzie a priori wydawałoby się, że rezystywność można zignorować, ta ostatnia może być nadal ważna: występuje wiele niestabilności, zwłaszcza w plazmie, które mogą ją bardzo silnie zwiększyć (o 1 miliard razy). ). Ta zwiększona rezystywność jest zwykle wynikiem tworzenia się struktur o małej skali, takich jak prądy warstw elektrycznych lub miejscowe turbulencje elektroniczne i magnetyczne (patrz na przykład niestabilność elektrotermiczna w plazmie z wysokim parametrem Halla ).

Przemysłowy gaz MHD, wykorzystujący zimne plazmy (gaz o dwóch temperaturach, poza równowagą, w którym tylko gaz elektronowy jest podgrzewany do 10000  K , podczas gdy reszta gazu (jony i substancje obojętne) jest zimna około 4000  K ) kategoria MHD o niskiej magnetycznej liczbie Reynoldsa.

Inne modele MHD

W zależności od wymaganej próby, podstawowy model MHD może być bardziej złożony, biorąc pod uwagę różne efekty zachodzące w płynie. Możemy w ten sposób stworzyć MHD-Hall , bi-fluid MHD ...

Obserwacje i zastosowania

Geofizyka

Ciecz rdzeń z ziemi i innych planety jest według obecnego teoretycznie olbrzymiej MHD z prądnicą , który generuje pole magnetyczne ziemskie (Geomagnetyzmu). Zjawisko to być spowodowane konwekcyjnych przepływów z metalowej zewnętrznej rdzenia i do tych wywoływanych elektrycznych prądów.

Astrofizyka

W astrofizyka to pierwsza opisano MHD. Rzeczywiście, obserwowalna materia wszechświata składa się w ponad 99% z plazmy, w tym gwiazd , międzyplanetarnych (przestrzeń między planetami układu gwiazd ) i międzygwiazdowych (między gwiazdami), mgławic i dżetów . Te plamy są wywoływane przez pole magnetyczne Słońca , co teoretycznie Joseph Larmor w 1919 roku wiatrowi podlega również MHD jak rozbłysków (nieciągłości linii pola i wypychania cząstek i promieniowania o wysokiej energii).

Inżynieria

MHD zajmuje się projektowaniem i zarządzaniem ogniwami elektrolitycznymi do produkcji aluminium . Silne pola elektromagnetyczne wprawiają płyny (aluminium i elektrolit) w ruch, tworząc fale narzucające minimalną odległość między aluminium a anodami.

MHD jest teoretycznie stosowany w ograniczaniu plazmy (stabilizacji, wydalania lub kompresji), w szczególności termojądrowej plazmy gorącej w maszynach do syntezy termojądrowej za pomocą ograniczania magnetycznego (takiego jak tokamaki ) lub magnetycznych urządzeń przewodzących (takich jak maszyna Z ).

MHD jest również bezpośrednio sercem zastosowań technologicznych w postaci maszyn elektromagnetycznych bez części ruchomych, zwanych przetwornikami MHD , które oddziałują na płyn za pomocą siły elektromagnetycznej (zwanej siłą Lorentza ) i które można wykorzystać:

Konkretne osiągnięcia przemysłowe na początku XXI th  century , są wciąż w fazie eksperymentalnej lub objęte tajemnicy wojskowej. Napotykają wiele trudności: wytwarzanie silnych pól magnetycznych za pomocą elektromagnesów nadprzewodzących , wytwarzanie wystarczającej mocy elektrycznej, materiały przewodzące odporne na korozję ... a szczególnie na gaz MHD: materiały odporne na wysokie temperatury i gęstości prądu , wydajne systemy jonizacji gazu , opanowanie teoretycznych aspektów zimnej plazmy o wysokich parametrach Halla itp.

Statki

W kontekście napędu magnetohydrodynamicznego łódź może poruszać się do przodu za pomocą tego zjawiska: to właśnie osiągnęli Japończycy z łodzią Yamato 1 , tworząc dyszę MHD.

Napęd MHD wymaga użycia elektrod. Pomiędzy nimi, gdy system przechodzi przez ciągłe natężenie, powstaje pole elektryczne prostopadłe do pola magnetycznego, które następnie wywiera siłę ciągu lub siłę Laplace'a . Pole prędkości w dyszy, utworzone przez elektrody i cewkę, uzyskuje się za pomocą równań Maxwella i hydrodynamiki: sprzężenie pola prędkości z polem magnetycznym umożliwia opisanie profilu prędkości. W ramach przepływu Hartmanna (stacjonarny i laminarny przepływ lepkiego płynu przewodzącego, który zakłada się jako nieściśliwy między dwiema równoległymi nieskończonymi płytami), polem prędkości rządzi prawo Hartmanna: jest to omawiane według wartości liczby Hartmanna. Jeśli ten rodzaj napędu jest korzystny ze względu na niezależność pól elektrycznych i magnetycznych, problem stanowi elektroliza spowodowana użyciem elektrod. Oddziaływania pola elektrycznego z jonami obecnymi w wodzie morskiej powodują ich gromadzenie się na katodzie, powodując wydzielanie się gazu m.in. wodorotlenku wapnia i magnezu, który jest elektrycznie izolujący. Oprócz blokowania właściwości przewodzących płynu, uwalnianie to jest wyjątkowo głośne: przy wysokim ciśnieniu jest podobne do zjawiska kawitacji; parowanie wody, które ma miejsce przy 100  ° C , wprowadza specyficzny hałas, który uniemożliwia zachowanie dyskretności łodzi.

Uwagi i odniesienia

  1. (en) William D. Jackson, „  Magnetohydrodynamic power generator  ”, na Encyclopædia Britannica (dostęp 15 sierpnia 2020 ) .
  2. Encyclopædia Britannica , „  Magnetohydrodynamic power generator  ”, [ czytaj online  (strona przeglądana 15 sierpnia 2020 r.)]
  3. (w) Michael Faraday, Eksperymentalne badania nad elektrycznością , lotem.  1, Londyn, 1849-1855, 597  s. ( ISBN  978-1296021634 , czytaj online ) , str.  55.
  4. (w) Hugo K. Messerle, Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation (Energy Engineering Series Unesco) , Wiley,1995, 180  pkt. ( ISBN  9780471942528 , czytaj online ) , str.  7.
  5. (w) H. Alfven, Istnienie fal elektromagnetyczno-hydrodynamicznych , Nature , 1942, vol. 150, s.  405.
  6. Otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1970 roku za swoją pracę na ten temat.
  7. „  Richard-J-Rosa   ” , w Encyclopædia Britannica (dostęp 15 sierpnia 2020 ) .
  8. (w) Tunel łukowy do badań magnetohydrodynamicznych (R. Rosa) Research Note 132, AF-04 (647) -278, Avco Everett Research Laboratory, MA, Stany Zjednoczone1 st styczeń 1959.
  9. (w) Fizyczne zasady wytwarzania energii magnetohydrodynamicznej (R. Rosa), Raport z badań 69, AFBMD-TR-60-36, Avco Everett Research Lab, MA, Stany Zjednoczone1 st styczeń 1960.
  10. (w) Eksperymentalny generator magnetohydrodynamiczny (R. Rosa) AFBDM-TR - 60-1, Avco Everett Research Lab, MA, Stany Zjednoczone1 st styczeń 1960.
  11. (w) George W. Sutton Arthur Sherman, Inżynieria magnetohydrodynamiki. , Mineola, NY, USA, McGraw-Hill ,1965, 548  str. ( ISBN  0-486-45032-5 ) , str.  1, przedmowa
  12. OM Phillips, The prospects for magnetohydrodynamic ship propulsion , J. Ship Res., 5, No. 4, 1962.
  13. (ru) LG Vasil'ev, AI Khozhainov, „  Magnetohydrodynamics in Ship Engineering  ” , Sudostroenie, Leningrad ,1967.
  14. (w) S. Way Badanie bipolarnych pól elektrycznych i magnetycznych dla napędu okrętów podwodnych (raport): Wstępny komunikat memorandum (raport), Biuro statków ,15 października 1958.
  15. Patent USA 2997013 [PDF] , Warren A. Rice, wydany 1961-08-22, przypisany Carlowi E. Grebe
  16. (ru) AA Azovtsev, BS Vasil'ev, VS Leikin, „  Perspektywy użyciu MHD-śmigieł dla statków transportowych łódź podwodna  ” , stoczniowy za granicą, nr 1614 ,1968
  17. (w) Dennis C. Mills "  Aerodynamika plazmy od końca zimnej wojny  " , rozprawa przedłożona na Wydziale Historii w ramach częściowego spełnienia wymagań dla stopnia doktora filozofii na Uniwersytecie Stanowym Florydy ,19 kwietnia 2012( czytaj online )
  18. Jane's Defense Weekly , 17 czerwca 1998, str. 8
  19. (w) KH Becker, U. Kogelschatz, KH Schoenbach, RJ Barker, Non-Equilibrium Air Plasmas at Atmospheric Pressure , London, Institute of Physics Publishing,2005, 700  s. ( ISBN  0-7503-0962-8 , czytaj online ) , str.  589
  20. (w) James Overduin Viktor Polyak, Anjalee Rutah Thomas Sebastian, Jim Selway, Daniel Zile, „  The Hunt for Red October II: A magnetohydrodynamic boat demonstration for introducting physics  ” , The Physics Teacher 55, 460 ,listopad 2017, s.  460-466 ( ISSN  0031-921X , DOI  10.1119 / 1.5008337 , czytaj online )
  21. (w) Y. Sasakawa, S. Takezawa, K. Sugawara, Zarys badań i rozwoju nadprzewodzącego statku MHD „YAMATO-1” , Międzynarodowa Konferencja Inżynierii Morskiej i Polarnej, Proceedings, ISSN 1098-6189, Vol. 1, strony 12-19, 1993.
  22. MJ Lighthill, Studies on MHD waves and other anizotropic wave motion , Philosophical Transactions of the Royal Society , vol. 252A, s. 397-430, 1960.
  23. EA Witalis, „ Hall Magnetohydrodynamics and Its Applications to Laboratory and Cosmic Plasma , IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), tom PS-14, str. 842-848, grudzień 1986.

Bibliografia

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne