Acoplamiento de simulaciones de fluidos y de partículas en celdas de propulsores de plasma ambipolar
Autores: van Lynden, Willem; Andriulli, Raoul; Souhair, Nabil; Ponti, Fabrizio; Magarotto, Mirko
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Acoplamiento de simulaciones de fluidos y de partículas en celdas de propulsores de plasma ambipolar
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Propulsores de plasma
Tecnología
Simulación
Solucionador de transporte de equilibrio de plasma de múltiples regímenes
Código PIC
Estrategia de acoplamiento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 38
Citaciones: Sin citaciones
Los propulsores de plasma ambipolar son una tecnología atractiva debido a múltiples ventajas relacionadas con el sistema, incluyendo la flexibilidad del propulsor y la ausencia de electrodos o neutralizador. Comprender los mecanismos de generación y aceleración del plasma es clave para mejorar el rendimiento y las capacidades de estos propulsores. Sin embargo, las regiones de fuente y pluma a menudo se simulan por separado, y no existe una estrategia autoconsistente que pueda acoplar estas diferentes simulaciones. Este artículo presenta el MUlti-regime Plasma Equilibrium Transport Solver (MUPETS), un modelo acoplado autoconsistente que integra un solucionador de fluidos para la dinámica del plasma en la fuente, que es impulsada por colisiones, con un código cinético Particle-In-Cell (PIC) para la dinámica del plasma en la boquilla magnética, que implica expansión a través de un campo magnético divergente. La metodología comienza resolviendo la fuente de plasma con la condición clásica de Bohm en la garganta del propulsor. Los perfiles de plasma resultantes (densidad, temperatura, velocidad) se introducen en el código PIC para la boquilla magnética. El código PIC calcula la expansión de la pluma de plasma y determina el campo eléctrico en la garganta del propulsor. Este campo eléctrico se utiliza luego como condición de contorno en el código de fluidos, donde reemplaza la suposición de Bohm, y se repite la simulación de fluidos. Este proceso iterativo continúa hasta la convergencia. Al comparar los resultados de MUPETS con los de un propulsor experimental, las densidades de plasma en la garganta del propulsor diferían en menos del 2-5% entre las regiones de fluidos y PIC. Las predicciones de empuje coincidieron con la tendencia experimental y se mantuvieron bien dentro de la banda de incertidumbre de la medición. Estos resultados validan la efectividad de la estrategia de acoplamiento para mejorar la precisión de la simulación de propulsores de plasma.
Descripción
Los propulsores de plasma ambipolar son una tecnología atractiva debido a múltiples ventajas relacionadas con el sistema, incluyendo la flexibilidad del propulsor y la ausencia de electrodos o neutralizador. Comprender los mecanismos de generación y aceleración del plasma es clave para mejorar el rendimiento y las capacidades de estos propulsores. Sin embargo, las regiones de fuente y pluma a menudo se simulan por separado, y no existe una estrategia autoconsistente que pueda acoplar estas diferentes simulaciones. Este artículo presenta el MUlti-regime Plasma Equilibrium Transport Solver (MUPETS), un modelo acoplado autoconsistente que integra un solucionador de fluidos para la dinámica del plasma en la fuente, que es impulsada por colisiones, con un código cinético Particle-In-Cell (PIC) para la dinámica del plasma en la boquilla magnética, que implica expansión a través de un campo magnético divergente. La metodología comienza resolviendo la fuente de plasma con la condición clásica de Bohm en la garganta del propulsor. Los perfiles de plasma resultantes (densidad, temperatura, velocidad) se introducen en el código PIC para la boquilla magnética. El código PIC calcula la expansión de la pluma de plasma y determina el campo eléctrico en la garganta del propulsor. Este campo eléctrico se utiliza luego como condición de contorno en el código de fluidos, donde reemplaza la suposición de Bohm, y se repite la simulación de fluidos. Este proceso iterativo continúa hasta la convergencia. Al comparar los resultados de MUPETS con los de un propulsor experimental, las densidades de plasma en la garganta del propulsor diferían en menos del 2-5% entre las regiones de fluidos y PIC. Las predicciones de empuje coincidieron con la tendencia experimental y se mantuvieron bien dentro de la banda de incertidumbre de la medición. Estos resultados validan la efectividad de la estrategia de acoplamiento para mejorar la precisión de la simulación de propulsores de plasma.