Modeling and simulation of plume expansion from a Particle Flow Generator in the context of Air Breathing Electric Propulsion ground testing

Ground testing is crucial to the development of Air Breathing Electric Propulsion technology, since it offers a faithful in-Earth representation of the Very Low Earth Orbit (VLEO) environment. In the context of the AETHER project, an experiment was carried out, in a vacuum facility, to study gas-surface interaction effects between selected materials samples and an atmospheric propellant plasma plume coming from a Hall-Effect thruster, which acts as a Particle Flow Generator. The aim of the present thesis is to perform simulations of the expansion of this plasma plume from the PFG's outlet up to the material samples. The simulations are performed using PANTERA, a Particle-in-Cell Direct-Simulation-Monte-Carlo (PIC-DSMC) code developed at von Karman Institute of Fluid Dynamics (VKI). A preliminary analysis is addressed to validate PANTERA's capabilities to deal with multiple neutral species mixtures in terms of particles injection, motion and collisions, and have a first overview of the neutrals expansion. These simulations are performed using PANTERA's DSMC collisions procedure. Then, a preliminary simulation of the chemical reactions in the PFG's chamber is performed using Mutation++. This is a tool, developed at VKI, designed to provide thermodynamic, transport, chemistry and energy transfer properties associated with subsonic and hypersonic flows. With this set of simulations it is possible to obtain a first order description of plasma's mixtures composition at the PFG's outlet. The plume is composed by neutral and ionized particles, which expand simultaneously but at different velocities and translational temperatures. The best approach to study the evolution of the complete plume is to treat the two mixtures differently. First simulating the neutral mixture development with DSMC and evaluating its distribution at steady-state. Then, performing Test-Particle-Monte-Carlo (TPMC) simulations of the plasma expansion, treating the previously evaluated neutrals distribution as a background. This procedure allows simulating in a faster and more efficient way conditions where a mixture is way denser then the others. In this regard, the TPMC procedure implemented in PANTERA is updated and new capabilities for treating non uniform backgrounds are implemented. A test-case is assessed in order to compare DSMC and TPMC collisions procedures and to verify the implementations. Finally a complete simulation of the plasma plume is performed. A partially-ionized gas expansion is simulated and the effect of collisions and charge exchange reactions is studied.

Le configurazioni di test a terra sono fondamentali per lo sviluppo della tecnologia ABEP, poichè offrono una rappresentazione veritiera dell'ambiente in orbita terrestre molto bassa (VLEO). Nel contesto del progetto AETHER, è stato sviluppato un impianto per verificare gli effetti delle interazioni gas-superficie tra campioni di test di materiali, precedentemente definiti, e un flusso di plasma atmosferico in arrivo da un propulsore ad effetto Hall, che funge da generatore di flusso di particelle. Lo scopo della presente tesi consiste nell'eseguire simulazioni dell'espansione di questo flusso di plasma dall’uscita del PFG fino ai campioni di materiali. Le simulazioni sono eseguite utilizzando PANTERA, un codice Particle-in-Cell Direct-Simulation-Monte-Carlo (PIC-DSMC) sviluppato presso il von Karman Institute of Fluid Dynamics. E' fatta un’analisi preliminare per convalidare le capacità di PANTERA di trattare miscele con diverse specie neutre in termini di iniezione di particelle, movimento e collisioni e avere una prima panoramica dell’espansioni dei neutri. Queste simulazioni sono eseguite utilizzando la procedura DSMC di PANTERA. Dopodichè, una simulazione preliminare dei meccanismi di reazione chimica nella camera del PFG viene effettuata grazie a Mutation++. Questo è uno strumento, sviluppato presso il VKI, progettato per fornire proprietà termodinamiche, di trasporto, chimiche e di trasferimento di energia associate flussi subsonici e ipersonici. Con questo set di simulazioni è possibile ottenere una composizione approssimativa delle miscele del flusso di plasma all'uscita del PFG. Il flusso è composto da particelle neutre e ionizzate, che si espandono simultaneamente ma a diverse velocità e temperature di traslazione. Il miglior approccio allo studio dell'evoluzione del plasma completo consiste nel trattare le due miscele in modo diverso. Prima simulando lo sviluppo della miscela neutra con DSMC, valutandone la distribuzione in condizioni stazionarie. Poi, eseguendo simulazioni Test-Particle-Monte-Carlo (TPMC) dell'espansione del plasma ionizzato, trattando la distribuzione dei neutri, precedentemente analizzata, come background. La procedura TPMC ha lo scopo di gestire in modo più rapido ed efficiente quelle condizioni in cui una miscela è molto più densa delle altre. A questo proposito, la procedura TPMC viene aggiornata e nuove funzionalità per il trattamento dei background non uniformi sono implementate. Viene analizzato un test-case per confrontare la procedura di collisione tra DSMC e TPMC e verificare le implementazioni. Infine, è eseguita una simulazione completa del flusso di plasma parzialmente ionizzato per poter valutare gli effetti delle collisioni e delle reazioni a scambio di carica.