مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی رژیم تخلیه کروناتولیدشده توسط پیکربندی سیم-سیلندر در شرایط اتمسفریک

نویسندگان
1 گروه مهندسی هوافضا/دانشکده مهندسی و فناوریهای نوین/دانشگاه شهید بهشتی
2 استادیار گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
اختلاف ولتاژ بین دو الکترود با ضخامت‌های ناهمسان ، در صورتی که میدان الکتریکی در اطراف الکترود تخلیه‌کننده (آند) به حدی قوی باشد که باعث یونیزه شدن گازهای اطراف خود شود اما توانایی ایجاد قوس الکتریکی را نداشته باشد، موجب پدیده تخلیه کرونا می‌گردد. تخلیه کرونا در ابتدا به عنوان پدیده‌ای ناخوشایند شناخته می‌شد اما امروزه کاربردهای مختلفی از جمله استفاده در رانشگرها دارد. در مقاله‌ی حاضر مشخصات جریان ناشی از تخلیه کرونا از قبیل سرعت، تراست، دما، جریان الکتریکی، خطوط جریان و راندمان مورد مطالعه‌ی عددی قرار گرفته است. بدین منظور معادلات الکترواستاتیکی و معادلات نویر استوکس به صورت کوپل و با استفاده از روش المان محدود حل شده‌اند. اعتبارسنجی نتایج بدست‌آمده نشان می‌دهد که بیشترین مقدار خطا در اندازه‌ی جریان الکتریکی، نیروی پیشرانو راندمان نیروی پیشراندر مقایسه با مقادیر تجربی به ترتیب کمتر از 14، 2 و 6 درصد می‌باشند. همچنین نتایج نشان می‌دهند که با افزایش ولتاژ اعمالی بر آند، نیروی پیشرانو جریان افزایش، و راندمان نیروی پیشرانکاهش می‌یابد. علاوه براین با در نظر گرفتن اثر گرمایش اهمی در معادله‌ی انرژی مشاهده شد که بیشینه‌ی دما در اطراف الکترود آند رخ می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of electrohydrodynamic flow produced by wire-to-cylinder in atmospheric condition

نویسندگان English

Alireza Fathi 1
Mahdy Ahangar 2
1 -
2 Department of Aerospace Engineering, Faculty of New Technologies and Engineering, Shahid Beheshti University,19395-4716, Tehran, Iran
چکیده English

Applying an Electric potential between two electrodes with different thicknesses will cause corona discharge if the electric field around the corona electrode is strong enough to ionize the surrounding gas and weak enough to avoid arcing. Corona discharge used to be known as an unpleasant phenomenon but it has lots of applications today including the ionic thrusters. In this research, the specifications of the flow resulted from corona discharge such as velocity, thrust, and temperature, electric current, flow streamlines and thrust effectiveness have been numerically studied. To do so, the electrostatic and Navier-Stokes equations have been coupled and solved by finite element method (FEM) using the COMSOL Multiphysics software version 5.2.Data validation shows that the maximum errors between the numerical and experimental results in computing thrust, current and thrust effectiveness are respectively below 2%, 14% and 6%. Also the results show that with rising the applied Voltage, the resulted thrust and electric current will increase and the thrust effectiveness decreases. Furthermore, by considering the effect of Ohmic heating in the energy equation, it has been found that the maximum temperature raise happens around anode.

کلیدواژه‌ها English

Plasma Flow
Numerical Modeling
Corona Discharge
Electro-Hydro-Dynamic Flow
[1] F. Hauksbee, Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects, First Edition, pp. 46-47, London: Brugis, 1709.
[2] I. Newton, Optics, pp. 25-27, London: Printers to the Royal Society, 1718.
[3] A. P. Chattock, On the velocity and mass of the ions in the electricwind in air, Philosophical Magazine, Vol. 48, No. 294, pp. 401–420, 1899.
[4] D. J. Harney, An Aerodynamic Study of the Electric Wind, PhD Thesis, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA ,1957.
[5] J. L. Davis, J. F. Hoburg, Wire-duct precipitator field and charge computation using finite element and characteristics methods, Journal of Electrostatics, Vol. 14, No. 2, pp. 187–199, Aug. 1983.
[6] H. Bondar, F. Bastein, Effect of neutral fluid velocity on direct conversion from electric to fluid kinetic energy inan electro-fluid-dynamic device Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 19, No. 9, pp. 1657-1663, 1986.
[7] N. E. Jewell-Larsen, S. V. Karpov, I. A. Krichtafovitch, V. Jayanty, C. P. Hsu, A. V. Mamishev, Modeling of corona-induced electrohydrodynamic flow with COMSOL multiphysics, Proceedings ESA Annual Meeting on Electrostatics, Minneapolis, Minnesota, June 17-19, 2008.
[8] D. F. Colas, A. Ferret, D. Z. Pai, D. A. Lacoste, C. O. Laux, Ion wind generation by a wire-cylinder-plate corona discharge in air at atmospheric pressure, Journal of Applied Physics, Vol. 108, No. 10, pp. 1-6, 2010.
[9] E. Moreau, N. Benard, J. D. Lan-Sun-Luk, J. P. Chabriat, Electrohydrodynamic force produced by a wire-to-cylinder dc corona discharge in air at atmospheric pressure, Journal of Physics D Applied Physics, Vol. 46, No. 47, pp. 1-14, 2013.
[10] E. Moreau, N. Benard, F. Alicalapa, A. Douyère, Electrohydrodynamic force produced by a corona discharge between a wire active electrode and several cylinder electrodes. application to electric propulsion, Journal of Electrostatics, Vol. 76, pp. 194–200, 2015.
[11] K. Kiousis, N. A. X. Moronis, W. G. Fruh, Electro-Hydrodynamic (EHD) thrust analysis in Wire–Cylinder electrode arrangement, Plasma Science and Technology, Vol. 16, No. 4, pp. 363–369, 2014.
[12] C. K. Gilmore, S. R. H. Barrett, Electrohydrodynamic thrust density using positive corona-induced ionic winds for in-atmosphere propulsion, Proceedings of Royal Society A, Vol. 471. No. 2175, pp. 1-24, 2015.
[13] H. Shibata, Y. Watanabe, K. Suzuki, Performance prediction of electrohydrodynamic thrusters by the perturbation method, Physics of Plasmas, Vol. 23, No. 5, pp. 1-7, 2016.
[14]K. Masuyama, S. R. Barrett, On the performance of electrohydrodynamic propulsion, The Royal Society A, Vol. 469, No. 2154, 2013.
[15] V. H. Granados, M. J. Pinheiro, P. A. Sá, Electrostatic propulsion device for aerodynamics applications, Physics of Plasmas, Vol. 23, No. 7, pp. 1-11, 2016.
[16]W. Wang, L. Yang, K. Wu, C. Lin, P. Huo, S. Liu, D. Huang, M. Lin, Regulation-controlling of boundary layer by multi-wire-to-cylinder negative corona discharge, Applied Thermal Engineering, Vol. 119, pp.438-448, 2017.
[17] F. W. Peek, Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering, pp. 8-38, New York: McGraw-Hill Book Company, 1920.
[18] C. G. Petra, O. Schenk, M. Anitescu, Real-time stochastic optimization of complex energy systems on high-performance computers, IEEE Computing in Science & Engineering, Vol. 16, No. 5, pp. 32-42, 2014.