شبیه‌سازی عددی جریان پلاسمای غیرتعادلی در یک رانشگر پلاسمایی مغناطیسی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

حل معادلات هیدرودینامیک مغناطیسی با استفاده از روش‌های مبتنی بر تفکیک مشخصه‌ها که دارای لزجت عددی کمی هستند، در جریان‌های پلاسما با ضریب بتای کوچک غالباً واگرا می‌گردد. افزایش همزمان سهم انرژی مغناطیسی (به دلیل کوچک بودن پارامتر بتا) و انرژی جنبشی (به دلیل وقوع انبساط‌های قوی) باعث کاهش سهم انرژی داخلی از انرژی کل شده و نهایتاً فشار در سلول‌های مجاور نوک الکترودها منفی می‌شود. در این پژوهش، جهت دستیابی به حل پایدار از روش ریمانی غیرتفکیکی HLLE استفاده شده است. این روش قادر است لزجت عددی لازم برای جلوگیری از نقض شرط انتروپی در انبساط‌های قوی را تأمین نماید. همچنین جهت افزایش دقت حل عددی روش OMUSCL2 که دارای خطای پراکندگی کمینه می‌باشد، به کار گرفته شده است. با توجه به ماهیت غیرتعادلی جریان پلاسما در رانشگرهای مغناطیسی، یک مدل یونش 7 جزئی مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور اعتبارسنجی الگوریتم عددی توسعه داده شده، یک رانشگر استوانه‌ای شبیه‌سازی شد. مقایسه نتایج عددی بدست آمده برای جریان الکتریکی محصور و نیروی پیشران با سایر داده‌های تجربی و عددی، حاکی از سازگاری و تطابق بین آن‌هاست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Sanchez MM (2004) Space propulsion course lecture notes. Springer, Massachusetts Institute of Technology.

[2] Lev D (2012) Investigation of efficiency in applied field magnetoplasma-dynamicthrusters. PhD Thesis, Princeton Univercity, Princeton, New Jersey, USA.

[3] Niewood EH (1993) An Explanation for Anode Voltage Drops in an MPD Thruster. PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA.

[4] Caldo G, Choueiri EY (1993) Numerical Fluid Simulation of an MPD Thruster with Real Geometry. In: 23rd International Electric Propulsion Conference, Seattle, WA, USA.

[5] Elaskar SA, Brito HH (2001) Solution of real magnetogasdynamics equations using a TVD scheme as a tool for electric propulsion. In: Proceeding of International Electric Propulsion Conference, Pasadena, USA 161–171.

[6] Takeda H, Yamamoto S (2002) Implicit time-marching solution of partially ionized flows in self-field MPD thruster. Trans Japan Soc Aero Space Sci 44(146): 223–228.

[7] Sankaran K, Jardin SC, Choueiri EY (2001) Parallelization and validation of an MHD code for the simulation of self-field MPDT flows. In: 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, USA.

[8] Mikellides PG (2004) Modeling and analysis of a megawatt-class magnetoplasmadynamic thruster. J Propul Power 20(2): 204–210.

[9] Sleziona PC, Kurtz MA, Schrade HO (1993) Numerical calculation of a cylindrical MPD thruster. In: Proceeding of International Electric Propulsion Conference, Seattle, USA 609–617.

[10] Winter MW, Boie C, Kurtz MA, Kurtz HL (1997) Experimental and numerical investigation of steady state MPD thrusters. In: Proceedings of the Second European Spacecraft Propulsion Conference, Noordwijk, Netherlands.

[11] Winter MW, Nada TR, Kurtz MA, Haag D, Fertig M (2006) Investigation of nozzle geometry effects on the onset of plasma instabilities in high power steady state MPD thrusters. In: 42nd Joint Propulsion Conference & Exhibit, Sacramento, California, USA.

[12] Mahendhran M, Kumar A (2010) Numerical study on performance of magnetoplasma dynamic arcjet thrusters. In: Proceedings of the 37th National & 4th International Conference on Fluid Mechanics and Fluid Power, Chennai, India.

[13] Kubota K, Funaki I, Okuno Y (2011) Modeling and numerical simulation of a two-dimensional MPD thruster using a hydrogen propellant. In: 32nd International Electric Propulsion Conference, Germany.

[14] آهنگر م، ابراهیمی ر، شمس م (1392) حل معادلات MHD با استفاده از یک روش مرتبه بالای مبتنی برتفکیک مشخصه‌ها به منظور شبیه‌سازی رانشگر پلاسمایی مغناطیسی، ماهنامه علمی و پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس 13(14): 28-42.

[15] Choueiri EY (1999) Anomalous resistivity and heating in current-driven plasma thrusters. J Phys Plasm 6(5): 2290–2306.

[16] Villani DD (1982) Energy loss mechanisms in a magnetoplasmadynamic arcjet. PhD Thesis, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA.

[17] Sankaran K, Choueiri EY, Jardin SC (2005) Comparison of simulated magnetoplasmadynamic thruster flowfields to experimental measurements. J Propul Power 21(1): 129–138.

[18] Sheppard EJ (1994) ionizational nonequilibrium and ignition in plasma accelerators. PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA.

[19] Heiermann J (2002) A finite volume method for the solution of magnetoplasmadynamic conservation equations. PhD Thesis, Institut fur Raumfahrtsysteme, Universitat Stuttgart, Stuttgart, Germany.

[20] Drellishak KS, Knopp CF, Cambel AB (1963) Partition functions and thermodynamics properties of argon plasmas. US Air Force, Report No: AEDC-TDR-63-146.

[21] Sankaran K, Martinelli L, Jardin SC, Choueiri EY (2002) A flux-limited numerical method for solving the MHD equations to simulate propulsive plasma flows. Int J Num Methods Eng 53(6): 1415–1432.

[22] Einfeldt B, Munz CD, Roe PL, Sjögreen B (1991) On Godunov-type methods near low densities. J Comp Phys 92: 273–295.

[23] Yan L, Liang LX, Dexun F, Ynwen M (2012) Optimization of the MUSCL scheme by dispersion and dissipation. Sci China Phys Mech and Astron 55(5): 844–853.

[24] Bruckner AP (1972) Spectroscopic studies of the exhaust plume of a quasi-steady MPD accelerator. PhD thesis, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA.

[25] Jahn RG (1971) Pulsed electromagnetic gas Acceleration. NASA NGL 31-001-005, Princeton university, Princeton, USA.

[26] Jahn RG (1968) Physics of Electric Propulsion. McGraw-Hill, New York.