Phénomènes d’interaction Magnéto-Fluide-Dynamique pour applications aérospatiales

Magneto-Fluid-dynamic interaction phenomena for aerospace applications

• Auteur / Autrice : Silvia Maria Collu
• Direction : Augusto Montisci, Antoine Alemany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 27/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Università degli studi (Cagliari, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Chopart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aldo Canova
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antoine Sellier, Guillaume Polidori, Yves Fautrelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vents solaires

Tourbillons (mécanique des fluides)

Interactions électromagnétiques

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Magnéto-Hydro-Dynamique

Paramètre d’interaction (N)

Perméabilités magnétiques

Tourbillon de von Karmann

Mini-Magnétosphère Plasma Propulsion (M2P2).

Vent solaire

Magneto-Hydro-Dynamics

The interaction parameter (N)

Magnetic permeabilities

The vortices of von karmann

Mini-Magnetosphere Plasma Propulsion (M2P2).

Solar wind

Résumé

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.

The Magneto-hydro-dynamics (MHD) is the discipline that studies the interactions between conductive fluids and applied magnetic fields. It integrates the phenomena of fluid dynamics and magnetism or electromagnetism, but also new ones specific to the interaction of the 2 domains.One of the remarkable features of this interaction is the mechanisms of induction to act without contact. One of the important properties that influence the intensity of electromagnetic forces is the electrical conductivity of the fluid. The dimensionless parameters which control the phenomena are generally 3; these are the classic Reynolds number (Re) in fluid mechanics, the interaction parameter (N) ratio of electromagnetic forces to inertia forces and the magnetic Reynolds number (Rm), ratio of the diffusion time of the magnetic field in the medium and the convection time. The proposed study is directed towards the analysis of 2 situations which a priori have little similarity but which in reality find their justifications in the sense that they both relate to flows around obstacles which are characterized by a wake whose configuration depends in particular on the magnetic Reynolds number. The analysis was performed digitally using the Finite Elements Method (FEM) with the software Comsol®. The first situation concerns the flow around a cylinder when the velocity field and the magnetic field are parallel to infinity. The analysis focused on the role of different parameters such as the influence of confinement, magnetic permeabilities relating to the fluid and the cylinder, and the magnetic Reynolds number. In all cases, the configuration of the wake, and in particular of von Karmann street, was analyzed either in terms of Strouhal number and in terms of drag exerted by the fluid on the cylinder. It has been observed in particular the existence of critical value for the interaction parameter for which the von Karmann street disappears and is replaced by 2 vortices which remain attached to the cylinder. This critical value depends in particular on the magnetic Reynolds number. When this number becomes high the critical value of N has increased the vortices of von Karmann persist for high magnetic fields.In the second part of the thesis, the analysis method developed in Part I has been applied to the study of the Space propulsion system called Mini-Magnetosphere Plasma Propulsion (M2P2). The proposed system exploits the action of the solar wind, which is a completely dissociated hydrogen plasma made up of electrons and protons moving at high speed between 300 ÷ 800 km/s, this wind is therefore sensitive to the action of field magnetic. The method is based on the creation of a large-scale magnetic field transported by a plasma magnetized by a coil, to thus form a mini-magnetosphere which deflects the solar wind as a sail would do it.This interaction generates a force to propel the spacecraft. Although low, the force applied over a long period of time makes it possible to reach speeds of several tens of km/s. The physics of the phenomenon can be compared, any scale kept, to the terrestrial magnetic field which protects the earth from solar winds. In this study, two specific aspects were considered. The first one concerns the operative conditions that allow the ejected plasma to be captured by the magnetic field, in this way inflating the sail. The second one concerns the calculation of the thrust that the wind exerts on the sail. The analysis has been performed resorting to the non-dimensional analysis on one side to reduce the computational burden of the FEM analysis, on the other side because it made it possible to perform at the same time the analysis of the real application and a possible experimental setup on ground.