شبيه‌سازي عددي جريان پلاسماي غيرتعادلي در يك رانشگر پلاسمايي مغناطيسي

Numerical Simulation of Non-equilibrium Plasma Flow in a Magneto-plasmadynamic Thruster

حل معادلات هيدروديناميك مغناطيسي با استفاده از روش‌هاي مبتني بر تفكيك مشخصه‌ها كه داراي لزجت عددي كمي هستند، در جريان‌هاي پلاسما با ضريب بتاي كوچك غالباً واگرا مي‌گردد. افزايش همزمان سهم انرژي مغناطيسي (به دليل كوچك بودن پارامتر بتا) و انرژي جنبشي (به دليل وقوع انبساط‌هاي قوي) باعث كاهش سهم انرژي داخلي از انرژي كل شده و نهايتاً فشار در سلول‌هاي مجاور نوك الكترودها منفي مي‌شود. در اين پژوهش، جهت دستيابي به حل پايدار از روش ريماني غيرتفكيكي HLLEاستفاده شده است. اين روش قادر است لزجت عددي لازم براي جلوگيري از نقض شرط انتروپي در انبساط‌هاي قوي را تامين نمايد. همچنين جهت افزايش دقت حل عددي روش OMUSCL2كه داراي خطاي پراكندگي كمينه مي‌باشد، به كار گرفته شده است. با توجه به ماهيت غيرتعادلي جريان پلاسما در رانشگرهاي مغناطيسي، يك مدل يونش 7 جزيي مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور اعتبارسنجي الگوريتم عددي توسعه داده شده، يك رانشگر استوانه‌اي شبيه‌سازي شد. مقايسه نتايج عددي بدست آمده براي جريان الكتريكي محصور و نيروي پيشران با ساير داده‌هاي تجربي و عددي، حاكي از سازگاري و تطابق بين آن‌هاست.

The MHD equations solution for small plasma Beta using characteristics-splitting schemes which have low numerical dissipation is frequently diverged. Simultaneous increasing of magnetic energy (due to high discharge current) and kinetic energy (due to strong gas-dynamic expansion) leads to decreasing of internal energy and finally the pressure value becomes negative near the electrodes tip. In this research, to obtain a stable solution, the HLLE approximate Riemann solver has been used. This method can produce necessary numerical dissipation to prevent entropy violation. To achieve a high order accurate solution, new modification of MUSCL technique has been employed. This method is called OMUSCL2 technique which has lower dispersion and dissipation errors. For simulation of non-equilibrium ionization mechanism, a 7-species chemistry model has been implemented. Numerical results of a lab-scale thruster are presented, whereby comparison with other experimental and numerical data shows good agreement between the predicted and measured enclosed current and thrust.