سعید میرزانژاد

تخلیه‌ی تاج به عنوان یک پلاسمای غیرتعادلی و خود‌نگهدار شناخته می‌شود که دارای روشنایی ضعیفی است. تخلیه‌ی تاج فشار اتمسفری در سیستم‌های فشار قوی و خطوط انتقال قدرت پدیده‌ای نامطلوب و خطرناک است. اما در سال‌های اخیر توانایی این تخلیه الکتریکی در یک سیستم پیشران الکتروهیدرودینامیکی(EHD) مورد توجه بسیاری از محققین در زمینه فیزیک-مهندسی پلاسما و هوا-فضا قرار گرفته‌ است. لذا می‌توان گفت یک تخلیه کرونا کنترل شده از طریق باردار کردن ذرات اطراف الکترود با شعاع کمتر و انتقال تکانه این ذرات به ذرات خنثی موجود در فضای بین دو الکترود جریان الکتروهیدرودینامیکی را ایجاد می‌کند که منجر به تولید باد‌یونی و نیروی پیشران ناشی از آن می‌شود. مهمترین کاربرد نیروی الکتروهیرودینامیکی و باد یونی در عملگرهای الکترومکانیکی است که بدون نیاز به بخش متحرک و مصرف سوخت مستقیما انرژی الکتریکی را به مکانیکی تبدیل می کنند. به طور کلی کاربردهای باد یونی را می توان به شکل زیر بیان کرد: 1-نیروی محرکه با نیروی پیشران الکتروهیدرودینامیکی 2-دمنده های الکتریکی بدون فن 3-انتقال حرارت تقویت شده 4-عملگر پلاسما برای کنترل جریان همچنین نیروی پیشران تولید شده می‌تواند در تولید پهپادهای نسل جدید و در یک نگاه کلی‌تر پرواز پرنده هایی بدون نیاز به مصرف سوخت، ایجاد آلودگی صوتی و بخش متحرک کاربرد داشته باشد. همچنین تولید باد یونی ناشی از تخلیه‌ی تاج می تواند در کاهش نیروی درگ و افزایش راندمان پرواز نیز موثر باشد. علی‌الرغم مطالعات انجام شده در این زمینه اما هم‌چنان مکانیسم تخلیه‌‌های تاج مثبت و منفی و نحوه تشکیل نیروی پیشران ناشی از آن ناشناخته است. علاوه براین محققین در بررسی‌های تجربی با طراحی پیکربندی‌های آرایه‌ای متفاوت و با کاهش یا افزایش تعداد الکترودهای آند و کاتد به دنبال افزایش نیروی پیشران و بازدهی این سیستم می‌باشند تا بتوان در کاربردهای عملی از آن استفاده کرد. در رساله حاضر با در نظر گرفتن پیکربندی سیم-استوانه در تخلیه‌ی تاج ابتدا شبیه سازی این سیستم را با استفاده از کوپل نرم افزار‌ تجاری کامسول و نرم افزار متلب انجام دادیم و سپس نشان داده شد علاوه‌بر نیروی خطی (کولونی) ناشی از میدان الکتریکی یک نیروی غیرخطی قوی نیز در اطراف الکترود سیم ایجاد می‌شود که ناشی از گرادیان قوی در شدت میدان الکتریکی است. نیروی غیرخطی، که همواره جهت آن از سمت الکترود با شعاع کمتر به سمت الکترود با شعاع بیشتر است و با تغییر قطبیت نیز جهت آن تغییر نمی‌کند، نقش مهمی در مکانیسم تخلیه‌‌های تاج مثبت و منفی و همچنین نیروی پیشران ناشی از آن دارد. سپس در یک آزمایش تجربی، الکترود سیم از جنس مس به ضخامت 1/0 میلیمتر و الکترود استوانه از جنس آلومینیوم به ضخامت 10 میلیمتر که فاصله بین دو الکترود و طول آنها به ترتیب 3 و 10 سانتیمتر است، شرایط تشکیل تخلیه‌ی تاج بر روی الکترود سیم مهیا شد. با بررسی پارامترها و شرایط متفاوت و با در نظر گرفتن یک استراتژی جدید در ایجاد این تخلیه و بدون تغییر پیکربندی سیستم نیروی پیشران را افزایش دادیم. برای این منظور با طراحی منبع ولتاژ DC که یک ریپل AC بر روی آن سوار (DC-offset) است در محدوده‌ی ولتاژ 10 تا 20 کیلوولت نیروی پیشران تولید شده را بین 2 تا 4 برابر در مقایسه با منبع ولتاژ DC افزایش دادیم. این در حالی است که ضریب بهره سیستم نیز افزایش یافته است. در نهایت با فرض جریان القایی غیرقابل تراکم، حالت پایدار و غیر چرخشی، نظریه‌ای برای ارزیابی و محاسبه نیروی پیشران با استفاده از اندازه گیری باد یونی تولید شده ‌‌‌‌‌‌در اطراف الکترود استوانه ارائه شد. در این نظریه از معادله جرم متغیر استفاده و نشان داده شد عملکرد تخلیه کرونا مانند پروانه یک فن است که توده هوایی را از بالای الکترود سیم به سمت الکترود استوانه وادار به حرکت می‌کند که به دلیل آیرودینامیک اطراف الکترود استوانه بیشترین سرعت بادیونی در این ناحیه اندازه‌گیری شد. مقادیر نیروی پیشران اندازه گیری شده در مطالعه حاضر و سایر پژوهش های علمی با مقدار محاسبه شده این نیرو با استفاده از نظریه حاضر مقایسه شد و مطابقت خوبی بین نتایج بدست آمد.