SIGNALER une erreur

Numerical modeling of a Hall thruster

par Guillaume Bogopolsky

Projet de thèse en Physique des plasmas, mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique

Sous la direction de Benedicte Cuenot.

Thèses en préparation à Toulouse, INPT , dans le cadre de Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés , en partenariat avec Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (equipe de recherche) depuis le 16-07-2020 .

  • Titre traduit

    Modélisation d'un propulseur à effet Hall


  • Résumé

    La physique des propulseurs à effet Hall est encore loin d'être maîtrisée : ils souffrent d'une part d’une érosion anormale des céramiques dans le plan de sortie du moteur, matérialisée sous la forme de stries de l’ordre du mm, et d'autre part, de nombreuses instabilités de fréquences et origines différentes sont également observées dans ces moteurs (mode spoke, fréquence de respiration, instabilités de gaines…) et leur influence sur le plasma et sur le fonctionnement du moteur n’est pas encore parfaitement clarifiée. La simulation numérique étant un élément clef pour comprendre et à terme prédire le comportement de ces moteurs. Pour cela, le Cerfacs développe depuis 2016 en collaboration avec Safran Aircraft Engines et le Laboratoire de Physique des Plasmas le code AVIP massivement parallélisé. Il utilise un maillage non-structuré et permet d'utiliser un formalisme Lagrangien (approche Particle-in-Cell) ou Eulérien (approche fluide à 10 moments). Les résultats ont déjà permis d'étudier l'instabilité azimutale caractéristique des moteurs à effet Hall, à la fois en PIC et en Fluide. L'objectif du la thèse est de finaliser une première version du code AVIP capable de réaliser un calcul moteur avec le meilleur compromis possible entre temps de calcul et précision et d'évaluer sa capacité à décrire les phénomènes complexes observés dans les propulseurs à effet Hall. Pour cela, la possibilité d’une méthode hybride PIC-Fluide où les différentes populations de particules sont modélisées soit avec une approche fluide soit avec une approche particulaire est à étudier. Dans la plupart des codes de simulation de propulseur de Hall, le choix est fait de modéliser les électrons avec une approche fluide et les particules lourdes (ions et neutres) avec une approche particulaire. Ce choix est guidé par le fait que le calcul de la dynamique des électrons nécessite les plus longs temps de calcul en PIC. Cependant, une approche PIC pour les électrons reste pertinente pour modéliser les effets cinétiques électroniques, responsables des phénomènes complexes dans les moteurs. Le travail de thèse sera orienté selon trois axes: d’une part le choix de la formulation la plus adaptée à un calcul moteur, d’autre part l’amélioration et l’optimisation des méthodes numériques pour l’approche choisie, et enfin la validation et l’analyse dans des configurations simplifiées. Le projet se terminera par un calcul moteur réel, objectif final du travail.


  • Résumé

    The physics of Hall thrusters is far from being well understood : on one hand, they suffer from an abnormal erosion of the ceramic material at the exit plane of the thruster, which shows as mm-scale ridges, on the other hand, many instabilities of different frequencies and origines are observed in those thrusters (spokes, breathing modes, sheath instabilities...), and their influence on the plasma and the thruster behavior is not clear yet. Computer simulation seems to be the best way to understand and predict the behavior of those thrusters. With this objective in mind, Cerfacs, in collaboration with Safran Aircraft Engines and the Laboratoire de Physique des Plasmas, is developing since 2016 the massively parallelised code AVIP. It makes use of an unstructered grid and allows for Lagrangian (Particle-in-Cell approach) and Eulerian (Fluid approach) formalism. First results allowed the PIC and Fluid study of the azimuthal instability caracteristic of Hall thrusters. The objective of the thesis work is to finalise a first version of AVIP able to realise a thurster computation with the best compromise between computation time and precision to evaluate its ability to describe the complex phenomena observed in a Hall thruster. To do so, the idea of using a hybrid method PIC-Fluid where the particle populations are modelised either by the fluid or particle approach will be investigated. In most of simulation code for the Hall thruster, a fluid approach is used for electrons and a particle one is used for the heavy species (ions and neutrals). The fast dynamic of electrons needing longer computation time in PIC guides this choice. However, a PIC approach for electrons remains relevant for the modelisation of electron kinetics behavior responsible of the complex phenomenom in the thrusters. The thesis work will be oriented following three axes: first the choice of the most adapted formulation for a thruster computation, second the improvement and optimisation of numerical methods for the chosen approach, and finally the validation and analysis of simplified configurations. The final objective of the project is a real case computation of the thruster.