Numerical Simulation of Ion Electrodiffusion and Advection in Atmospheric Ionic Thrusters

This thesis is part of the IPROP (Ion PROPulsion in Atmosphere) project, which aims to investigate the potential use of non-thermal plasma atmtospheric propulsion for ion-powered airships. In recent years, the increasing interest in environment-friendly and green technologies has reached the aerospace sector, leading to research in less polluting alternatives to the current state of the art. Electro-hydro-dynamic (EHD) atmospheric propulsion is one of those alternatives. This kind of propulsion exploits the ionic wind generated between two asymmetric electrodes to generate a thrust with no fuel or combustion emissions. While EHD is used in many fields, its application to the development of Atmospheric Ionic Thrusters is still being researched, as the performance theoretically achievable is not yet matched by the first prototypes. In this work, a 2D numerical model is developed for the simulation of the ionic drift under the effect of the electric field generated between the two electrodes. Both the electrical and fluid dynamics aspects of the problem are considered when deriving the equations that regulate the ion drift. The positive ion drift and electric field in a 2D domain representing a single thruster unit are numerically simulated. The code is developed exploiting the deal.ii C++ software library. The framework created in this thesis can be expanded upon and used as basis for future work on the same topic.

La crescente necessità di effetture scelte ecosostenibili ha raggiunto anche il settore aerospaziale, portando alla ricerca di alternative meno inquinanti agli attuali mezzi di propulsione. La propulsione elettroidrodinamica è una di queste alternative parte di queste innovazioni. Questo tipo di propulsione sfutta il vento ionico generato fra due elettrodi asimmetrici per generare una spinta senza consumare o emettere alcun tipo di combustibile. Per quanto l'elettroidrodinamica sia applicabile a diversi campi, la sua applicazione per l'utilizzo nella propulsione atmosferica è ancora obiettivo di ricerca, in quanto le promettenti prestazioni previste dalla teoria non sono ancora state raggiunte dai primi prototipi. In questa tesi, viene sviluppato un modello per la simulazione del vento ionico sotto l'effetto del campo elettrico e del trasporto fluidodinamcio. Sia elettrostatica che fluidodinamica vengono considerate nella derivazione del modello. Lo spostamento degli ioni ed il campo elettrico fra i due elettrodi del propulsore vengono simulati numericamente in due dimensioni utilizzando la libreria software deal.ii, basata in C++. Questa tesi si colloca nell'ambito del progetto IPROP (Ion PROPulsion in Atmosphere), che ha lo scopo di investigare l'utilizzo di propulsione ionica atmosferica per dirigibili. Obiettivo di questo lavoro è dunque quello di fornire dei codici che possano fare da punto di partenza per future ricerche sull'argomento.