Magneto-Fluid-dynamic interaction phenomena for aerospace applications

Phénomènes d’interaction Magnéto-Fluide-Dynamique pour applications aérospatiales La magnéto-hydro-dynamique (MHD) est la discipline qui étudie les interactions entre les fluides conducteurs de l’électricité et les champs magnétiques. Elle intègre les phénomènes de la dynamique des fluides et du magnétisme ou électromagnétisme, mais aussi de nouveaux propres à l’interaction des 2 domaines. Les mécanismes de l’induction permettant d’agir sans contact représentent une des particularités remarquables de cette interaction. La conductivité électrique du fluide est l'une des propriétés importantes qui influe sur l’intensité des forces électromagnétiques. Les paramètres sans dimensions qui contrôlent les phénomènes sont en général au nombre de 3, ce sont les nombre de Reynolds (Re) classique en mécanique des fluides, le paramètre d’interaction (N) rapport des forces électromagnétique aux forces d’inertie et le nombre de Reynolds magnétique (Rm) rapport du temps de diffusion du champ magnétique dans le milieu au temps de convection. L’étude proposée est tournée vers l’analyse de 2 situations qui a priori présentent peu de similarité mais qui en réalité trouvent leurs justifications dans le sens qu’elle concernent toutes deux des écoulements autour d’obstacles qui se caractérisent par un sillage dont la configuration dépends notamment du nombre de Reynolds magnétique. L’analyse a été réalisée d’une manière numérique à l’aide du logiciel «Comsol »La première situation concerne l’écoulement autour d’un cylindre lorsque le champ de vitesse le champ magnétique sont parallèles à l’infini. L’analyse a porté sur le rôle de différents paramètres comme l’influence du confinement, des perméabilités magnétiques relatives du fluide et du cylindre, et du nombre de Reynolds magnétique. Dans tous les cas la configuration des sillages, et notamment de la rue de tourbillon de von Karmann, a été analysée soit en terme de nombre de Strouhal et en termes de trainées exercée par le fluide sur le cylindre. Il a notamment été démontré l’existence d’une valeur critique du paramètre d’interaction pour laquelle les tourbillons de von Karmann disparaissent et sont remplacée par 2 tourbillons qui restent attaché au cylindre. Cette valeur critique dépend des paramètres et notamment du nombre de Reynolds magnétique. Lorsque ce nombre devient élevé la valeur critique de N est augmentée les tourbillons de von karmann persistant pour des champs magnétiques élevés.Dans la deuxième partie de la thèse, la méthode d'analyse développée dans les sections précédentes a été appliquée à l'étude du système de propulsion spatiale appelé Mini-Magnétosphère Plasma Propulsion (M2P2). Le système proposé exploite l’action du vent solaire qui est un plasma d’hydrogène complètement dissocié constitué d'électrons et de protons se déplaçant à grande vitesse entre 300 et 800 km par seconde, ce vent est donc sensible à l’action de champ magnétique. La méthode se fonde sur la création d’un champ magnétique à grande échelle transporté par un plasma magnétisé par une bobine, pour former ainsi une minimagnétoshere qui dévie le vent solaire tel que le ferait une voile. Cette interaction engendre une force permettant de propulser le véhicule spatial. Bien que faible, la force exercée appliquée sur une longue periode de temps permet d’atteindre des vitesses de plusieurs dizaines de km/s. La physique du phénomène peut être comparée, toute échelle gardée, au champ magnétique terrestre qui protège la terre des vents solaires. Dans cette étude, deux aspects spécifiques ont été considérés. Le premier concerne les conditions opératoires qui permettent au plasma éjecté d'être capté par le champ magnétique, gonflant ainsi la voile. Le second concerne le calcul de la poussée exercée par le vent sur la voile.