پديده شناسي عددي جريان پلاسما در مجاورت الكترودهاي يك رانشگر پلاسمايي مغناطيسي

Numerical Phenomenology of Plasma Flow Near the Electrodes of a Magnetoplasmadynamic Thruster

به منظور شبيه ­سازي جريان پلاسما در يك رانشگر با دبي جرمي ورودي 4 و جريان تخليه الكتريكي 16، معادلات هيدروديناميك مغناطيسي به همراه مدل افت ولتاژ آند حل شده­ اند. در اين مدل جريان پلاسما در ناحيه غلاف آند از نوع بدون برخورد و غيرمغناطيسي در نظر گرفته شده است. تحت اين شرايط با تعيين چگالي يون­ها و الكترون­ها و گسسته ­سازي معادلۀ پواسون، مقادير افت ولتاژ در امتداد ديواره آند به دست آمده ­اند. شبيه­ سازي عددي توانست به طور كمي و كيفي پديده­ هايي همچون جريان داخلي پرچگال، جت­ هاي سه گانه و ناحيۀ داغ را در مجاورت الكترود كاتد سازگار با نتايج تجربي نمايان سازد. همچنين، مكانيزم شتابگيري جريان خروجي براي اولين بار بر اساس مفهوم نازل مجازي و پديده جت كاتد تحليل شده است. مقادير دماي بيشينه و نيروي پيشران در مقايسه با ساير داده ­هاي عددي و تجربي با خطاي كمتر از 3/5% پيش­ بيني شده ­اند. به علاوه، مشخصه­ هاي الكتريكي پلاسما در نزديكي الكترود آند از جمله رابطۀ معكوس بين افت ولتاژ و چگالي جريان الكتريكي مطابق با نتايج تجربي به دست آمده ­اند.

To simulate the plasma flow in a magnetoplasmadynamic thruster, with mass flow rate of 4g/s and total discharge current of 16 kA, the magnetohydrodynamic equations accompanied by an anode sheath model have been solved. In this model, the flow through anode sheath region has been considered as a collisionless and unmagnetized plasma. Under this circumstance, by determining the densities of electrons and ions, and by discretizing the Poisson’s equation, potential drops along the anode surface have been obtained. The numerical simulation has properly revealed the phenomena such as dense internal flow, three jets and hot spot near the cathode. Also, the acceleration mechanism of exhaust plume has been justified based on the concept of virtual nozzle and cathode jet phenomenon. The values of maximum temperature and thrust have been predicted in good agreement with the other numerical and experimental data, with the errors less than 3.5%. Moreover, electrical characteristics of plasma in vicinity of anode such as the inverse dependence of anode fall with current density have been modeled in good accordance with the measured data.