شبيه‌سازي عددي رژيم تخليه كرونا توليد شده توسط پيكربندي سيم - سيلندر در شرايط اتمسفر يك

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

اختلاف ولتاژ بين دو الكترود با ضخامت‌هاي ناهمسان ، در صورتي كه ميدان الكتريكي در اطراف الكترود تخليه‌كننده (آند) به حدي قوي باشد كه باعث يونيزه شدن گازهاي اطراف خود شود اما توانايي ايجاد قوس الكتريكي را نداشته باشد، موجب پديده تخليه كرونا مي‌گردد. تخليه كرونا در ابتدا به عنوان پديده‌اي ناخوشايند شناخته مي‌شد اما امروزه كاربردهاي مختلفي از جمله استفاده در رانشگرها دارد. در مقاله‌ي حاضر مشخصات جريان ناشي از تخليه كرونا از قبيل سرعت، تراست، دما، جريان الكتريكي، خطوط جريان و راندمان مورد مطالعه‌ي عددي قرار گرفته است. بدين منظور معادلات الكترو استاتيكي و معادلات نوير استوكس به صورت كوپل و با استفاده از روش المان محدود حل شده‌اند. اعتبارسنجي نتايج بدست‌ آمده نشان مي‌دهد كه بيشترين مقدار خطا در اندازه‌ي جريان الكتريكي، نيروي پيشرانو راندمان نيروي پيشراندر مقايسه با مقادير تجربي به ترتيب كمتر از 14، 2 و 6 درصد مي‌باشند. همچنين نتايج نشان مي‌دهند كه با افزايش ولتاژ اعمالي بر آند، نيروي پيشرانو جريان افزايش، و راندمان نيروي پيشرانكاهش مي‌يابد. علاوه براين با در نظر گرفتن اثر گرمايش اهمي در معادله‌ي انرژي مشاهده شد كه بيشينه‌ي دما در اطراف الكترود آند رخ مي‌دهد.

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.