Simulación de un sistema generador de chorro de plasma en software multifísico, COMSOL Multiphysics® versión 5.6

Abstract

La implementación del plasma en diversas tecnologías ha demostrado tener potencial para el desarrollo de nuevas técnicas aplicadas en una gran variedad de sectores industriales. Un ejemplo es el chorro de plasma de arco eléctrico, ampliamente utilizado en el tratamiento de desechos mediante proceso de gasificación de residuos sólidos urbanos. Además, en la última década los avances sustanciales en el desarrollo de modelos de propulsores eléctricos y su generación han abierto una era tecnológica hacia la exploración espacial, debido a que exhiben niveles de eficiencia altos en comparación con sus homólogos químicos, dado que los propulsores eléctricos pueden generar mayor propulsión especifica. Los chorros de plasma se generan a partir de un arco eléctrico entre electrodos y a través de un gas base, dicho gas se expande al ser calentado mediante colisiones entre los electrones del arco y las partículas neutras del gas. El plasma es expulsado fuera de la antorcha, transfiriendo así energía y momento al medio externo. En este proyecto se presenta el modelo y simulación de una antorcha de plasma de arco eléctrico no transferido de corriente continua, con simetría axial y electrodos coaxiales en software multifísico. Se estudia el encendido de la antorcha y el estado estacionario del potencial eléctrico, la distribución de rapidez y temperatura. Se realiza el estudio con diferentes valores de la densidad de corriente, flujo másico de entrada y tres gases de trabajo. Los resultados muestran que el flujo másico y la densidad de corriente determinan la ubicación y magnitud de la zona de máxima temperatura y rapidez del fluido. Se observa que la dependencia de las propiedades del gas de trabajo influye en el perfil de temperatura y rapidez del fluido, siendo el argón el que presenta las mayores temperaturas y velocidades. El modelo es capaz de simular el encendido del plasma y su estado estacionario, lo que permite comprender mejor el comportamiento del chorro de plasma en diferentes condiciones operativas.