RT Dissertation/Thesis
T1 Axisymmetric simulation codes for hall effect thrusters and plasma plumes
A1 Domínguez Vázquez, Adrián
AB The development of reliable and versatile plasma discharges simulation codes is becomingof central importance, given the rapidly evolving electric propulsion landscape.These tools are essential for facilitating and complementing the design of new prototypes,signiffcantly reducing development time and costs. Moreover, they can provide a deeperinsight on already proven technologies, revealing optimization opportunities so as to improvethe thruster performance and lifetime, and predicting the operational parametersat different regimes of interest.This Thesis is devoted to the numerical study of different plasma discharges and, inparticular, the Hall effect thruster (HET) discharge. With special focus on particle-basedmodeling, two simulation codes have been developed. The first one, named HYPHEN,is a new two-dimensional axisymmetric hybrid, particle-in-cell (PIC)/fluid multi-thrustersimulation platform. Its versatile PIC-based module for heavy species supports the simulationof inner active surfaces, mixed specular-diffuse neutral-wall reflection, and chargeexchange(CEX) collisions, thus extending the code capabilities and enabling the simulationof axisymmetric plasma plumes. Moreover, it features a new population controlwhich monitors independently every heavy species and limits the statistical noise at a lowcomputational cost. Furthermore, an improved version of the HET electron fluid modulefor the isotropic electron pressure case is presented. Three major studies have beencarried out with this code. First, the simulation of an ion thruster plasma plume haspermitted to benchmark HYPHEN against the 3D plasma plume code EP2PLUS. Second,an investigation on the neutral-wall interaction effects on an unmagnetized plasmadischarge in a surface-dominated cylindrical channel with isothermal electrons has beenperformed. The discharge ignition requires different propellant injection mass ows inthe diffuse and specular neutral-wall reflection cases. Third, preliminary simulations of aSPT-100 HET have been carried out to demonstrate the code capabilities and reveal itslimitations. Consistent results have been obtained for different cathode locations in thenear plume region and various electron turbulent transport parameter profiles.The second code corresponds to a new version of the one-dimensional radial particlemodel of a HET discharge, originally developed by F. Taccogna. The major improvementsare an ionization controlled discharge algorithm, which enables sustaining a steady-statedischarge, and an extended volumetric weighting algorithm which provides a more accuratemacroscopic description of the low populated species, such as the wall-emittedsecondary electrons. The radial dynamics of both the primary and secondary electronpopulations have been analyzed in detail, assessing the temperature anisotropy ratio oftheir velocity distribution functions and the asymmetries introduced by cylindrical geometryeffects in the macroscopic laws of interest, thus aiming at a future improvement ofthe plasma-wall interaction module implemented in HYPHEN.
AB El desarrollo de códigos fiables y versátiles para la simulación de descargas de plasmaes cada vez más importante dada la rápida evolución de la propulsión espacial eléctrica.Estas herramientas son esenciales para facilitar y complementar el diseño de nuevos prototipos,reduciendo significativamente los tiempos y costes de desarrollo. Además, puedenampliar la comprensión de las tecnologías ya establecidas, revelar vías de optimizacióndel propulsor que permitan mejorar su rendimiento y vida útil, y predecir los parámetrosde operación del mismo en diferentes regímenes de interés.Esta Tesis está dedicada al estudio numérico de diferentes descargas de plasma y, enparticular, de descargas HET. Se han desarrollado dos códigos de simulación, con especialénfasis en los modelos de partículas. El primero de ellos, llamado HYPHEN, es unanueva plataforma de simulación multi-propulsor, híbrida PIC/fluida y axisimétrica. Sumódulo PIC para especies pesadas permite la simulación de superficies activas inmersasen el plasma, procesos de reflexión especular-difuso de neutros en pared y colisiones CEX,extendiendo por tanto las capacidades del código y permitiendo la simulación de plumasde plasma axisimétricas. Además, incluye un nuevo control de población que monitoriza acada especie pesada por separado limitando el ruido estadístico y el coste computacional.Por otra parte, se presenta una versión mejorada del modelo fluido de electrones isótropospara HET. Tres estudios principales se han llevado a cabo con este código. En primerlugar, la simulación de la pluma de plasma de un motor iónico ha permitido validarHYPHEN con el código de plumas 3D EP2PLUS. Por otro lado, se ha investigado el efectode la interacción del gas neutro con la pared en una descarga no magnetizada con electronesisotermos en un canal cilíndrico esbelto. La ignición de la descarga requiere inyectardiferentes gastos másicos de propulsante en los casos de reflexión difusa y especular. Entercer lugar, se han realizado simulaciones preliminares de un motor HET de tipo SPT-100 con el objeto de demostrar las capacidades del código y revelar sus limitaciones,obteniendo resultados consistentes para diferentes posiciones del cátodo en la región dela pluma cercana, y perfies del parámetro de turbulencia de electrones.El segundo código representa una nueva versión del modelo radial de partículas deuna descarga HET desarrollado originalmente por F. Taccogna. Las principales mejorasconsisten en un algoritmo de control de la descarga a través de la ionización, que permiteobtener una descarga estacionaria, y un algoritmo de pesado volumétrico extendido, queproporciona una descripción macroscópica más precisa de las especies poco pobladas,como los electrones secundarios emitidos desde las paredes del motor. Para posibilitaruna futura mejora del módulo de HYPHEN de interacción plasma-pared, se han analizadoen detalle la dinámica radial de los electrones primarios y secundarios, la anisotropía detemperatura de sus funciones de distribución de velocidad, y las asimetrías cilíndricas enlas leyes macroscópicas de interés.
YR 2019
FD 2019-05-31
LK https://hdl.handle.net/10016/30603
UL https://hdl.handle.net/10016/30603
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 27 jul. 2024