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.
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 .
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.
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 , 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.
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 ...
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.
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).
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.
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.