Numerical modelling of atmospheric EHD thruster systems

This work deals with numerical investigation of wire-airfoil type EHD thruster under clean air conditions, and its main objective is to provide a low computational-cost model to better target experiments with the thruster in the laboratory. The governing equations are solved using COMSOL Multiphysics® 5.6. Experimental measurements from both past and ongoing laboratory campaigns are used to validate the model. Performance is evaluated in terms of net thrust, thrust density, thrust-to-power ratio and a couple of efficiency parameters. Furthermore, new solutions capable of improving the performance of the EHD thruster are tested, each one of them enhancing particular aspects of the wire-airfoil thruster’s physics: (i) multiple emitters to thicken the ion cloud in the drifting region, (ii) thruster units in a zigzag pattern to better distribute the electric field on the collecting surfaces and (iii) a compact thruster cell to exploit aerodynamic effects observed for extremity electrodes of an array. The first two solutions exhibit a 18% increased thrust, and the third one a 35% increase, along with sensible improvements in the other performances.

Questo lavoro si occupa di indagare numericamente un propulsore EHD di tipo filo-profilo alare in condizioni di aria pulita. L’obiettivo principale è quello di fornire un modello a basso costo computazionale per meglio indirizzare gli esperimenti in laboratorio. Le equazioni di governo sono risolte usando COMSOL Multiphysics® 5.6. Il modello numerico è stato validato per mezzo di misure sperimentali di analisi di laboratorio precedenti e in corso. Le prestazioni sono valutate in termini di spinta netta, densità di spinta, rapporto spinta-potenza e un paio di parametri di efficienza. Inoltre, vengono proposte e testate nuove soluzioni in grado di migliorare le prestazioni del propulsore EHD, ognuna delle quali migliora aspetti specifici della fisica alla base del sistema propulsivo: (i) emettitori multipli per addensare la nube ionica nella regione di deriva, (ii) unità propulsive disposte a zigzag per distribuire più efficientemente il campo elettrico sulle superfici di raccolta a terra e (iii) una cella propulsiva compatta capace di sfruttare gli effetti aerodinamici osservati per gli elettrodi estremi di un array di unità. Le prime due soluzioni mostrano un incremento di spinta del 18% e la terza un incremento del 35%, associati a miglioramenti meno netti nelle altre prestazioni.