مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه تحلیلی فرآیند الکتروگرمایی آند در یک رانشگر پلاسمایی مغناطیسی

نویسندگان
1 گروه هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی
2 پژوهشگر / آزمایشگاه پیشرانش، سوخت و احتراق / دانشکده مهندسی هوافضا / دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
در این پژوهش، مشخصه­ های الکتروگرمایی آند به‌صورت تحلیلی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور دو زیرناحیه جریان پلاسمای شبه­خنثی و غیرخنثی در نزدیکی دیواره الکترود در نظر گرفته شده­اند. برای ناحیه غیرخنثی یک رابطه بین افت ولتاژ و چگالی جریان با استفاده از معادلات بقای جرم و مومنتوم الکترون ارائه شده است. همچنین، برای تعیین افت ولتاژ و چگالی جریان در زیرناحیه جریان شبه­خنثی، روابطی مبتنی بر معادلۀ میدان مغناطیسی القایی و قانون اهم استخراج شده است. الگوریتم حل پیشنهادی مبتنی بر ارضای شرط پیوستگی جریان است که با استفاده از روش سعی و خطا همگرا می­گردد. به منظور اعتبارسنجی الگوریتم تحلیلی توسعه داده شده، رانشگر پلاسمایی مغناطیسی دانشگاه پرینستون با جریان تخلیه الکتریکی 8 کیلوآمپر و دبی­های جرمی ورودی 4 و 24 گرم بر ثانیه مطالعه شده است. نتایج تحلیلی به‌دست آمده نشان می­دهد که تحت دبی­های جرمی ورودی 4 و 24 گرم بر ثانیه به ترتیب، مقادیر شار حرارتی در بازه­ 480 تا 1350 و 400 تا 1490 وات بر سانتی­متر مربع ، چگالی جریان الکتریکی در بازه­ 24 تا 90 و 33 تا 140 آمپر بر سانتی­متر مربع و افت ولتاژ در بازه­ 5.8 تا 11 و 4.9 تا 6 ولت تغییر می­کنند. الگوریتم تحلیلی، شار حرارتی، چگالی جریان الکتریکی و افت ولتاژ در امتداد لبه آند را مشابه داده­های تجربی پیش­بینی کرده است. مشاهده شده که چگالی جریان و شار حرارتی در نزدیکی وسط لبه آند، جایی که افت ولتاژ آند کمینه شده، بیش­ترین مقدار خود را اختیار کرده است. با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک نشان داده شد که تابع چگالی احتمال سرعت موثر دارای توزیع گاوسی است. بنابراین، تحت این شرایط انتروپی بیشینه شده و در نتیجه نمودارهای چگالی جریان و شار حرارتی قله­ ای شکل شده­اند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Analytical Investigation of Anode Electrothermal Process in a MPD Thruster

نویسندگان English

Mahdy Ahangar 1
Akram Sedigh 2
چکیده English

In this research, the electrothermal characteristics of anode have been analytically investigated by considering two subzones including the quasi-neutral and non-neutral plasma flow near the anode surface. A correlation between current density and anode fall voltage has been derived by using the continuity and momentum equations for electron in the non-neutral plasma subzone. Also, two relations have been deduced from the magnetic field induction equation and Ohm’s law to determine the current densities and voltage drops in the quasi-neutral plasma subzone. The suggested solution algorithm has been based on the satisfaction of current continuity condition to be converged by a trial and error method. The Princeton benchmark thruster has been investigated for the discharge current of 8 kA with mass flow rates of 4 and 24 gr/s to evaluate the developed algorithm. The obtained analytical results show that under operating conditions with mass flow rates of 4 and 24 g/s, the heat flux values are respectively in the range of 480 to1350 and 400 to1490 W/cm2, the current densities vary from 24 to 90 and from 33 to 140 A/cm2, and also the anode falls change from 5.8 to 11 and 4.9 to 6 V. The analytical algorithm has predicted the heat fluxes, current densities, and anode falls along the anode face in good agreement with measurements. It has been seen that the heat flux and current density around the anode mid-lip, where the anode fall has its minimum value, have been maximized. By using the second thermodynamic law, it has been shown that the probability density function of effective velocity has a Gaussian distribution. Therefore, under this circumstance, entropy has been maximized, and consequently the heat flux and current density profiles have been taken the summit form.

کلیدواژه‌ها English

Plasma Flow
Anode Sheath
Heat Flux
Hall Parameter
Magnetic Field