Moment methods for non-equilibrium low-temperature plasmas with application to electric propulsion

This thesis investigates the application of order-4 maximum-entropy moment methods to the simulation of low-temperature plasmas. Such methods extend the validity of the classical fluid approaches and allow to reproduce non-Maxwellian velocity distribution functions. Moreover, their computational cost is often much lower than a full kinetic simulation. The 5 and 14-moment systems are investigated in this work for low-temperature plasma conditions relevant to Hall effect thrusters, currently employed as electric space propulsion devices. The moment methods are first investigated for strong degrees of rarefaction and in presence of electromagnetic source terms. Then, Hall thruster-like problems are considered, and the accuracy of the method is analyzed for the modeling of collisionless ions and collisional magnetized electrons. For all considered conditions, the order-4 maximum-entropy methods allow to closely reproduce kinetic features and to improve the accuracy of the simpler fluid closures. Finally, the injection of neutral propellant gas in the rarefied environment of the Hall thruster channel and near plume is studied, and an alternative gas injection configuration is proposed, as to maximise the propellant utilization efficiency.

Questa tesi studia l’applicazione dei metodi della massima entropia di ordine 4 per la simulazione di plasmi a bassa temperature. Tali metodi estendono la validità degli approcci fluidi classici e permettono di riprodurre funzioni di distribuzione non Maxwelliane. Inoltre, il loro costo computazionale è spesso molto ridotto rispetto ad una simulazione puramente cinetica. In questo lavoro, i sistemi di 5 e 14 momenti sono stati investigati per plasmi a bassa temperatura in condizioni rilevanti per i motori di tipo Hall, correntemente applicati come mezzi per la propulsione spaziale elettrica. Innanzi tutto, i metodi dei momenti sono stati investigati in condizioni di forte rarefazione ed in presenza di sorgenti elettriche e magnetiche. In seguito, i metodo sono stati applicati a situazioni che riproducono problemi classici dei propulsori di tipo Hall, e la loro accuratezza è stata analizzata per ioni non collisionali ed elettroni collisionali e magnetizzati. Per tutte le situazioni considerate, il metodo della massima entropia di ordine 4 ha permesso di riprodurre accuratamente caratteristiche cinetiche ed ha mostrato un miglioramento rispetto alle formulazioni fluide classiche. Infine, il problema dell’iniezione rarefatta del propellente neutrale nel canale del propulsore è stato considerato, proponendo una configurazione di iniezione alternativa atta a massimizzare l’utilizzo del propellente.