Ion generation in the emitter region of electrohydrodynamic thrusters

Electrohydrodynamic (EHD) propulsive systems could represent a cross-cutting technology in driving a new generation of airships and aircraft. This kind of thrusters is characterised by propulsive units without moving mechanical parts, therefore having extremely long operation times, low maintenance and very low pollution. The optimal design of such systems requires a lot of effort both in fundamental and applied research. An efficient and accurate simulation tool could help in the design and optimization process. This thesis, extending the work done by [23], aims at proposing a self-consistent 1D fluid model to properly simulate the non- thermal plasma flow arising between the electrodes, providing an initial theoretical and mathematical framework for future developments in the field. Its numerical implementation is performed through GNU OCTAVE; it is based on a finite element method for the spatial discretization and a splitting scheme with adaptive stepsize solver for time integration. The Direct-Current (DC) discharge at atmospheric pressure is widely documented in literature, especially with Argon as feed gas, providing results for preliminary verification of the model; for this reason Argon is used for all the simulations. Numerical experiments have been performed; then the results have been analysed and some considerations drawn.

Lo sviluppo di propulsori elettroidrodinamici, comunemente detti a vento ionico, potrebbero rappresentare una svolta nella propulsione di una nuova generazione di dirigibili e aeromobili. Questo tipo di propulsori è caratterizzato da unità prive di parti meccaniche mobili e perciò presentano tempi operativi molto lunghi, richiedono poca manutenzione e sono estremamente sostenibili dal punto di vista delle emissioni in atmosfera. Il design ottimale di questi sistemi richiede un considerevole sforzo nella ricerca fondamentale e applicata. Uno strumento di simulazione che sia efficiente e accurato rappresenterebbe un valido supporto per i progettisti. Questa tesi, estendendo il lavoro svolto da [23], mira a proporre un modello fluido autoconsistente per simulare la corrente di plasma non termico che si genera tra i due elettrodi, gettando le basi per sviluppi futuri in questo campo. L’implementazione numerica del modello è stata prodotta attraverso GNU OCTAVE; il metodo agli elementi finiti è stato usato per la discretiazzione spaziale, mentre uno schema di splitting con dimensione degli intervalli temporali adattivo è stato usato per l’integrazione nel tempo. La scarica in regime di corrente continua a pressione atmosferica è ampiamente documentata in letteratura, in particolare con Argon come gas di alimentazione. Per questo motivo le simulazioni di questa tesi sono state svolte in Argon. Sono stati condotti alcuni esperimenti numerici e i risultati sono stati in seguito analizzati e alcune considerazioni esposte.