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Soutenance de thèse de Willca VILLAFANA: “Etudes numériques Particle-In-Cell de propulseurs de Hall à l'aide de maillages non structurés. “

  Thursday 21 October 2021 at 16h00

  Salle Jean-Claude ANDRÉ    

 

Résumé :

En quelques décennies, l'espace a pris une importance cruciale dans notre société moderne. Avec le déploiement imminent de méga-constellations de satellites, leur nombre va augmenter de manière considérable. Ces futurs satellites seront principalement équipés de systèmes de propulsion électrique, et notamment de propulseurs de Hall.

Cependant les processus gouvernant la physique des plasmas au sein des propulseurs de Hall restent mal compris, ce qui force les industriels à réaliser de coûteuses et laborieuses campagnes expérimentales pour certifier le produit fini.

Pour pallier cette difficulté, la simulation numérique par méthode de Particle-In-Cell (PIC), adaptée à la physique de ce type de plasmas, est un outil précieux. En effet elle permet de décrire des effets cinétiques spécifiques à ces plasmas et qui ne peuvent être représentés avec précision par des méthodes fluides. Du fait du coût des simulations PIC et des phénomènes complexes mis en jeu, les codes existants dans la littérature restent limités à des configurations académiques discrétisées sur des maillages structurés.

Pour surmonter ces défis, le code AVIP PIC est développé au CERFACS avec l'objectif de disposer d'un outil prédictif capable de modéliser des configurations industrielles. Pour ce faire, AVIP PIC travaille avec des maillages non structurés, ce qu'aucun autre code de la communauté ne peut faire actuellement. Cette innovation vient au prix d'une complexification considérable du code et un travail substantiel d'optimisation a d'abord été réalisé dans le cadre de précédents travaux.

Du fait de son caractère novateur, le premier objectif de cette thèse a été de systématique- ment valider AVIP PIC. Ainsi, AVIP PIC a d'abord été utilisé pour participer avec succès à un premier benchmark international sur une configuration 2D dans le plan axial-azimutal. Au cours de ce travail tous les groupes ont obtenu des résultats proches avec 5% de différence au plus sur les profiles des principaux paramètres plasma. Une instabilité plasma azimutale, l'instabilité de dérive électronique, a été observée par tous les participants avec des caractéristiques extrême- ment similaires. Cette instabilité due à des effets cinétiques, joue très probablement un rôle fondamental dans le transport anormal des électrons au sein du moteur. Fort de ce premier succès, nous avons ensuite utilisé ce cas pour explorer et paramétrer un algorithme de contrôle actif de particules. En empêchant le nombre de particules de devenir trop élevé, cet outil per- met de réduire le coût de calcul et sera très utile pour de futures simulations. Toujours dans l'optique de validation du code, nous avons ensuite étudié une configuration simplifiée 2D du plan radial-azimutal du moteur. En effet, la prise en compte de la présence des parois peut considérablement modifier le comportement physique du moteur simulé. En particulier, nous avons mis en évidence une instabilité radiale-azimutale, appelé aussi instabilité modifiée à deux faisceaux, qui est couplée à l'instabilité de dérive électronique citée précédemment. Un travail de benchmark, mené par le CERFACS avec six groupes internationaux, a confirmé ce résultat avec un excellent accord, malgré la grande diversité des codes utilisés.

Fort de notre expérience en 2D, nous avons alors mis au point une simulation 3D reprenant les éléments géométriques et les conditions plasma des deux cas précédents. Lors de cette étude la forme 3D de l'instabilité de dérive électronique a été identifiée ainsi qu'une possible signature de l'instabilité radiale-azimutale. La comparaison avec les configurations 2D précédentes semble montrer que les simulations 2D tendent à créer un plasma plus chaud et plus dense, ce qui affecte les phénomènes oscillatoires. La structure générale du plasma reste néanmoins similaire. Enfin des outils d'analyse de performances du code ont été développés et se révèleront précieux pour la mise au point de configurations 3D plus avancées. 

Jury 

Miles TURNER Professeur – NCPST/DCU Rapporteur
Thierry MAGIN Professeur – VKI Rapporteur
Anne BOURDON Professeur CNRS/LPP Examinateur
Kentaro HARA Professeur – Université de Stanford Examinateur
Gwenael FUBIANI Chercheur – CNRS/LAPLACE Examinateur
Benjamin LAURENT Ingénieur de Recherche – SAE Membre invité
Bénédicte CUENOT Chercheur senior – Cerfacs Directrice de thèse
Olivier VERMOREL Chercheur senior – Cerfacs Co-Directeur de thèse

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