Mención Internacional en el título de doctorThe development of reliable and versatile plasma discharges simulation codes is becoming
of 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 deeper
insight on already proven technologies, revealing optimization opportunities so as to improve
the thruster performance and lifetime, and predicting the operational parameters
at different regimes of interest.
This Thesis is devoted to the numerical study of different plasma discharges and, in
particular, the Hall effect thruster (HET) discharge. With special focus on particle-based
modeling, two simulation codes have been developed. The first one, named HYPHEN,
is a new two-dimensional axisymmetric hybrid, particle-in-cell (PIC)/fluid multi-thruster
simulation platform. Its versatile PIC-based module for heavy species supports the simulation
of inner active surfaces, mixed specular-diffuse neutral-wall reflection, and chargeexchange
(CEX) collisions, thus extending the code capabilities and enabling the simulation
of axisymmetric plasma plumes. Moreover, it features a new population control
which monitors independently every heavy species and limits the statistical noise at a low
computational cost. Furthermore, an improved version of the HET electron fluid module
for the isotropic electron pressure case is presented. Three major studies have been
carried out with this code. First, the simulation of an ion thruster plasma plume has
permitted to benchmark HYPHEN against the 3D plasma plume code EP2PLUS. Second,
an investigation on the neutral-wall interaction effects on an unmagnetized plasma
discharge in a surface-dominated cylindrical channel with isothermal electrons has been
performed. The discharge ignition requires different propellant injection mass ows in
the diffuse and specular neutral-wall reflection cases. Third, preliminary simulations of a
SPT-100 HET have been carried out to demonstrate the code capabilities and reveal its
limitations. Consistent results have been obtained for different cathode locations in the
near plume region and various electron turbulent transport parameter profiles.
The second code corresponds to a new version of the one-dimensional radial particle
model of a HET discharge, originally developed by F. Taccogna. The major improvements
are an ionization controlled discharge algorithm, which enables sustaining a steady-state
discharge, and an extended volumetric weighting algorithm which provides a more accurate
macroscopic description of the low populated species, such as the wall-emitted
secondary electrons. The radial dynamics of both the primary and secondary electron
populations have been analyzed in detail, assessing the temperature anisotropy ratio of
their velocity distribution functions and the asymmetries introduced by cylindrical geometry
effects in the macroscopic laws of interest, thus aiming at a future improvement of
the plasma-wall interaction module implemented in HYPHEN.El desarrollo de códigos fiables y versátiles para la simulación de descargas de plasma
es 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, pueden
ampliar la comprensión de las tecnologías ya establecidas, revelar vías de optimización
del propulsor que permitan mejorar su rendimiento y vida útil, y predecir los parámetros
de operación del mismo en diferentes regímenes de interés.
Esta Tesis está dedicada al estudio numérico de diferentes descargas de plasma y, en
particular, de descargas HET. Se han desarrollado dos códigos de simulación, con especial
énfasis en los modelos de partículas. El primero de ellos, llamado HYPHEN, es una
nueva plataforma de simulación multi-propulsor, híbrida PIC/fluida y axisimétrica. Su
módulo PIC para especies pesadas permite la simulación de superficies activas inmersas
en 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 plumas
de plasma axisimétricas. Además, incluye un nuevo control de población que monitoriza a
cada 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 isótropos
para HET. Tres estudios principales se han llevado a cabo con este código. En primer
lugar, la simulación de la pluma de plasma de un motor iónico ha permitido validar
HYPHEN con el código de plumas 3D EP2PLUS. Por otro lado, se ha investigado el efecto
de la interacción del gas neutro con la pared en una descarga no magnetizada con electrones
isotermos en un canal cilíndrico esbelto. La ignición de la descarga requiere inyectar
diferentes gastos másicos de propulsante en los casos de reflexión difusa y especular. En
tercer 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 de
la pluma cercana, y perfies del parámetro de turbulencia de electrones.
El segundo código representa una nueva versión del modelo radial de partículas de
una descarga HET desarrollado originalmente por F. Taccogna. Las principales mejoras
consisten en un algoritmo de control de la descarga a través de la ionización, que permite
obtener una descarga estacionaria, y un algoritmo de pesado volumétrico extendido, que
proporciona una descripción macroscópica más precisa de las especies poco pobladas,
como los electrones secundarios emitidos desde las paredes del motor. Para posibilitar
una futura mejora del módulo de HYPHEN de interacción plasma-pared, se han analizado
en detalle la dinámica radial de los electrones primarios y secundarios, la anisotropía de
temperatura de sus funciones de distribución de velocidad, y las asimetrías cilíndricas en
las leyes macroscópicas de interés.Programa Oficial de Doctorado en Mecánica de Fluidos por la Universidad Carlos III de Madrid; la Universidad de Jaén; la Universidad de Zaragoza; la Universidad Nacional de Educación a Distancia; la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad Rovira i Virgili.Presidente: Iván Calvo Rubio.- Secretario: Gonzalo Sánchez Arriaga.- Vocal: Daniela Pedrin
