Propulsion MagnétoHydroDynamique (MHD) en eau de mer

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23552
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Propulsion MagnétoHydroDynamique (MHD) en eau de mer

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Propulsion MHD La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 31 Propulsion MagnétoHydroDynamique (MHD) en eau de mer JEAN-PAUL THIBAULT Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LEGI, F-38000, Grenoble,France 1. Introduction La propulsion MagnétoHydroDynamique (MHD) est un mode de propulsion direct par réaction envisagé dès les années 60 pour réaliser une propulsion sans hélice ou autre pièce mécanique en mouvement [1]. Des électrodes, alimentées en courant continu, permettent de faire passer un courant de densité J au sein de l’écoulement. Ce dernier, placé dans un champ magnétique d’induction B, est ainsi le siège de forces électromagnétiques volumiques JxB qui assurent le pompage de l’écoulement et la propulsion par réaction du navire (voir figure1). Figure 1 : Schéma du canal de propulsion MHD L’eau de mer est un électrolyte (solution faible de chlorure de sodium) assimilable à un faible conducteur électrique [2]. En conséquence pour garantir un rendement suffisant, le champ magnétique appliqué doit avoir une induction de l’ordre de 10T [3] et une excitation permanente. La réalisation récente de grands aimants supraconducteurs [4] laisse présager de la faisabilité de ces propulseurs. Figure 2 : Vues arrières du propulseur MHD annulaire intégré à l’arrière d’un sous-marin Le propulseur annulaire intégré à l’arrière du navire, présenté en figure 2, comporte des électrodes internes en violet et externes en vert qui créent des courants radiaux. L’aimant supraconducteur, voir figure 3, est contenu dans un cryostat et il comporte ici un ensemble de 16 bobines qui sont assemblées pour former deux nappes de conducteurs parcourues par des courants opposés et parallèles à l’axe qui se ferment par les têtes de bobine. Le champ, naturellement confiné entre ces 2 nappes, est orthoradial. Les têtes de bobines sont carénées radialement comme le montre la figure 1. Figure 3 : Aimant en nappes de supraconducteur = assemblage de 16 bobines. Le champ généré entre les deux nappes de conducteur est orthoradial. Résumé : Les lanceurs à rails, La propulsion MagnétoHydroDynamique (MHD) est un mode de propulsion direct par réaction en eau de mer. En supprimant l’hélice ou toute autre pièce mécanique en mouvement, elle offre un haut potentiel de discrétion. Des électrodes, alimentées en courants continus réglables, combinées au champ magnétique permanent produit par un aimant supraconducteur, génèrent des forces électromagnétiques volumiques qui pompent l’écoulement et assurent une propulsion par réaction. Abstract : MagnetoHydroDynamic (MHD) propulsion is a direct mode of propulsion by reaction in seawater. By removing the propeller or any other mechanical part in movement, it offers a high potential of discretion. Electrodes, fed by adjustable DC currents, combined with the permanent magnetic field produced by a superconducting magnet, generate volume electromagnetic forces that pump the flow and provide jet propulsion. Propulsion MHD La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 32 Figure 4 : Vue semi-transparente du propulseur complet. Les forces générées par le propulseur complet, présenté en figure 4, sont pilotées en intensité et en sens (propulsif ou contra-propulsif) par l’alimentation des électrodes. Ces dernières peuvent être alimentées séparément suivant des secteurs angulaires et ainsi les forces produites sont distribuées autour du navire. Cette particularité permet de contrôler directement la manœuvrabilité du navire sans nécessité de barre ou de dérive. 2. Problématique Comme le montre la figure 2, l’écoulement soumis au forçage électromagnétique dans cet espace annulaire est « ouvert » sur l’océan environnant. La MHD en eau de mer couple la mécanique des fluides avec l’électromagnétisme et l’électrochimie dans les limites de la réalisabilité technologique. Les termes de couplage dépendent des propriétés physiques du fluide dont la conductivité électrique apparente . La distribution de courants électriques au sein du propulseur résulte de la compétition entre le gradient du potentiel électrique  appliqué aux électrodes et la force contre-électromotrice UxB liée au déplacement de l’écoulement conducteur dans le champ magnétique. Il s’agit ici d’un couplage faible dans la mesure où le champ magnétique d’induction B n’est pas affecté par l’écoulement conducteur. Il ne dépend que de la géométrie de l’aimant supraconducteur. Le système d’équation à résoudre couple les équations de Navier- Stokes (1) avec un terme source : les forces électromagnétiques JxB avec la loi d’Ohm (2) qui met en évidence la compétition le gradient du potentiel électrique et la force contre-électromotrice. Enfin la conservation des courants électriques permet d’exprimer la distribution de potentiel électrique par (3). (1) ρ d