مطالعه تحلیلی فرآیند الکتروگرمایی آند در یک رانشگر پلاسمایی مغناطیسی

در این پژوهش، مشخصه های الکتروگرمایی آند به صورت تحلیلی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور دو زیرناحیه جریان پلاسمای شبه خنثی و غیرخنثی در نزدیکی دیواره الکترود در نظر گرفته شده اند. برای ناحیه غیرخنثی یک رابطه بین افت ولتاژ و چگالی جریان با استفاده از معادلات بقای جرم و مومنتوم الکترون ارائه شده است. همچنین، برای تعیین افت ولتاژ و چگالی جریان در زیرناحیه جریان شبه خنثی، روابطی مبتنی بر معادله میدان مغناطیسی القایی و قانون اهم استخراج شده است. الگوریتم حل پیشنهادی مبتنی بر ارضای شرط پیوستگی جریان است که با استفاده از روش سعی و خطا همگرا می گردد. به منظور اعتبارسنجی الگوریتم تحلیلی توسعه داده شده، رانشگر پلاسمایی مغناطیسی دانشگاه پرینستون با جریان تخلیه الکتریکی 8 کیلوآمپر و دبی های جرمی ورودی 4 و 24 گرم بر ثانیه مطالعه شده است. نتایج تحلیلی به دست آمده نشان می دهد که تحت دبی های جرمی ورودی 4 و 24 گرم بر ثانیه به ترتیب، مقادیر شار حرارتی در بازه 480 تا 1350 و 400 تا 1490 وات بر سانتی متر مربع ، چگالی جریان الکتریکی در بازه 24 تا 90 و 33 تا 140 آمپر بر سانتی متر مربع و افت ولتاژ در بازه 5.8 تا 11 و 4.9 تا 6 ولت تغییر می کنند. الگوریتم تحلیلی، شار حرارتی، چگالی جریان الکتریکی و افت ولتاژ در امتداد لبه آند را مشابه داده های تجربی پیش بینی کرده است. مشاهده شده که چگالی جریان و شار حرارتی در نزدیکی وسط لبه آند، جایی که افت ولتاژ آند کمینه شده، بیش ترین مقدار خود را اختیار کرده است. با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک نشان داده شد که تابع چگالی احتمال سرعت موثر دارای توزیع گاوسی است. بنابراین، تحت این شرایط انتروپی بیشینه شده و در نتیجه نمودارهای چگالی جریان و شار حرارتی قله ای شکل شده اند.