بررسي عددي اثر هندسه و شرايط مرزي بر جريان مافوق صوت در كانال دو بعدي ام.اچ.دي

Numerical investigation of the effect of the geometry and boundary conditions on Supersonic flow in a 2D MHD channel

در كار حاضر، شبيه سازي عددي جريان مافوق صوت، پايا و تراكم پذير هوا در يك ژنراتور هيدروديناميك مغناطيسي (ام.اچ.دي) مورد مطالعه قرار گرفته است. جريان به صورت گاز كامل با عدد رينولدز مغناطيسي پائين در نظر گرفته شده است. يك كانال دو بعدي با چهار جفت الكترود و هندسه ها و شرايط مرزي مختلف به عنوان مدل ژنراتور ام.اچ.دي فارادي مورد بررسي قرار گرفته است. براي حل معادلات ناوير استوكس به اضافه جملات چشمه الكترومغناطيسي، معادلات ماكسول و قانون اهم از نرم افزار فلوئنت استفاده گرديده است. معادلات ناوير استوكس با استفاده از حل كننده بر پايه چگالي به صورت ضمني و معادله پواسون، با استفاده از روش پتانسيل الكتريكي حل شدند. ابتدا شرايط مرزي دما ثابت و شار حرارتي ثابت با هم مقايسه شده و با توجه به گرمايش ژول كمتر و توليد توان الكتريكي بالاتر، شرط مرزي شار حرارتي ثابت براي ادامه كار انتخاب شده است. سپس اثر شكل هندسي كانال هاي ام.اچ.دي با سطح مقطع ثابت، واگرا، همگرا و تركيبي واگرا ثابت بر راندمان و توان الكتريكي خروجي بررسي شده است. نتايج نشان ميدهد كه توان و راندمان الكتريكي در كانال تركيبي واگرا ثابت نسبت به ساير هندسه ها بالاتر بوده و گرمايش ژول كمتري دارد. با توجه به تحقيقات در مورد استفاده از ژنراتور ام.اچ.دي در صنايع فضايي و موشكي، نتايج مختلف به ويژه گرمايش ژول حاصل از جريان گاز كريپتون و جريان هوا مقايسه شده اند تا در صورتي كه افزايش دما در اثر گرمايش ژول گاز كريپتون كمتر باشد روي اين گزينه و پيشنهاد آن به عنوان گاز مناسب تمركز شود.

In the present work, numerical simulation of steady, compressible and supersonic airflow in a magneto- hydrodynamic (MHD) generator is studied. The flow is considered to be ideal with low magnetic Reynolds number. A two-dimensional channel with four-pair electrodes and with various geometries and boundary conditions is utilized as a MHD Faraday generator model. The computational model consists of the Navier-Stokes equations coupled with electromagnetic source terms, Maxwell's equations and Ohm's law. Implicit density based solver is used to solve the Navier-Stokes and the electric potential method is used to solve the Poisson's equation. The constant temperature boundary condition is compared with constant heat flux. Due to the low Joule heating and generation of higher electrical power, constant heat flux boundary condition is selected to use .Then the effect of change of the channel geometry is investigated by considering constant cross section, divergent, convergent and divergent- constant cross sections as Faraday MHD generator. The geometrical effect is investigated on the electrical efficiency and power output of MHD generator. The results showed that electrical power and efficiency of divergent -fixed channel was higher than others and its joule heating is lower. Due to the Joule heating induced by the magnetic field and the importance of engine cooling, other working gases such as Krypton are analyzed.