One dimensional case studies with picfoam solver
Picfoam çözücüsü ile tek boyutta incelenen çalışmalar
- Tez No: 846496
- Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Öncüler(pioneers) olarak bilinen bilim isanları tarafından elektrik alanının roketler için kullanılabileceği fikri ortaya atıldığından beri elektriksel itki yaygın olarak uzay görevlerinde kullanılmaktadır. İnsanlığın uzayı keşfetmeye olan ilgisi arttıkça, verimli ve nispeten uygun maliyetli uzay aracı geliştirme fikri, elektrik itkisinin geliştirilmesine katkıda bulunnuştur. Elektrik itkisiyle çalışan roketler, kimyasal roketlere kıyasla yüksek hız değişimi sağlaması (velocity increment) ve daha yüksek özgül itici kuvvet(specific impulse) sağlamasından dolayı uzay görevleri için avantajlı olarak gösterilmektedir. Elektrik itkisiyle çalışan uzay motorlarından biri olan ve elektrik alan ve manyetik alanın etkisi sayesinde kullanılan yakıt gazının iyonlaşmasıyla itki kuvveti üreten Hall itkili uzay roketleri, derin uzay araştırmaları, uzay madenciliği, uydu sistemleri vb. alanlarda kullanılabilmesi konusunda ilgi çeker hale gelmiştir.Bu nedenle verimliliğinin artırılması ve derin uzay görevlerinde kullanılabilmesi için Hall etkili itki motorlarının boşaltma odalarında gerçekleşen (discharge chamber) bazı problemlerin de üzerinde çalışılması gerekmektedir. Daha spesifik olarak, E ⃗×B ⃗ sürüklenme kararsızlığı veya anormal elektron taşınması problemlerin en önemlilerindendir ve Hall itki motorlarının içindeki bu fiziksel olaylar hakkında güncel olarak hâlâ daha fazla açıklamaya ihtiyaç vardır. Bunu başarmak amacıyla literatürde bu fiziksel problemleri daha doğru ve daha az maliyetli olarak modelleyebilecek yeni kodlara veya çözücülere ihtiyaç vardır. Hall iticilerini modellemek için üç temel yaklaşım vardır: akışkan, hibrit ve tam kinetik yaklaşım. Akışkan yaklaşımında çözüm Boltzmann denkleminin momentumuna dayanmakta ve tüm parçacıklar akışkan kabulü altında çözülmektedir. Hibrit yaklaşımda ise elektronlar akışkan yaklaşımıyla, iyonlar ve nötr parçacıklar gibi daha yüksek kütleli parçacıklar ise tam kinetik yaklaşımla çözülmektedir. Tam kinetik çözümü yaklaşımında ise akışkan varsayımı yoktur ve simülasyon Boltzmann denkleminin direk çözümü şeklindedir. Hall itkili uzay roketlerinde, plazma akışı simülasyonlarını nispeten düşük maliyetli bir şekilde çözen akışkan veya hibrit yaklaşımlar olmasına rağmen, fiziksel problemlerin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılması için parçacıklara tamamen kinetik yaklaşım yaparak çözüm yapan kodların geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle bu tezde, tamamen kinetik ve elektrostatik yaklaşımla çözüm yapan ve OpenFoam açık kaynak kodlu hesaplamalı akışkanlar yazılımı üzerinde geliştirilen picFoam çözücüsünün uygulanması üzerine çalışılmıştır. picFoam çözücüsü hücre içi parçacık yaklaşımı (particle in cell) ve Monte Carlo çarpışma yöntemini kullanarak sonlu hacimler yöntemi kullanarak elektrik alan çözümü yapar. Plazma ortamında çok sayıda parçacık olması nedeniyle parçacıkların tamamının simüle edilmesi hesaplama açısından maliyetli olduğu için hücre içi parçacık yöntemiyle(particle in cell) çözüm yapılmaktadır. Bu yöntemde makro parçacık adı verilen simulasyon parçacıkları kullanılarak çözüm yapılmaktadır. Bu makro parçacıklar, plazma ortamındaki tüm parçacıkların kullanılması yerine, bir makro parçacığın belirli bir sayıda gerçek plazma parçacığını temsil etmesi şeklinde kullanılır. Örneğin; bir milyon gerçek parçacık içeren bir plazma ortamını 1000 adet makro parçacık ile temsil edersek, simülasyon içinde yer alan her 1 adet makro parçacık 1000 adet gerçek plazma parçacığını temsil edecektir. Monte Carlo yöntemi ise parçacıklar arasında ilgili çarpışmaların gerçekleşme olasılığını kontrol eden bir algoritmadır. Bu algoritmada çarpışma frekans değeri ve çarpışma kontrolünün yapıldığı süre dikkate alınarak hesaplama yapılır. Bu tez kapsamında, picFoam çözücüsünün Hall itkili cihazların fiziğini modelleme kabiliyetini göstermek amacıyla iki adet kıyaslama modeli (benchmark case) seçildi. Bunlardan birincisi düşük basınçlı kapasitif olarak birleştirilmiş plasma modeli (capacitevely copuled plasma) ve diğeri tek boyutta azimut yönde E ⃗×B ⃗ drift çözüm gerektiren model olarak seçilmiştir. İlk kıyaslama modeli iki elektrot yüzey arasında bulunan plazma ortamına 13.56 Mhz frekansa sahip bir sinuzodial voltaj kaynağının uygulanmasıyla ortamdaki parçacıklar arasındaki çarpışmalar modellenmiştir. Çarpışmalar electron-Helium nötr parçacıkları ve iyon-Helium (He) nötr parçacıklar arasında olmak üzere iki şekilde incelenmiştir. Elektron-He parçacıkları arasındaki çarpışmalar elastik saçılma, uyarılma ve iyonlaşma çarpışma mekanızmalarından oluşmaktadır. İyon-He parçacıkları arasındaki çarpışmlar ise elastik saçılma ve yük değişimini içermektedir. Sonuçlar iyon yoğunluğu üzerinden incelenmiştir. İlk kıyaslama çalışmasından elde edilen sonuçlar, picFoam çözücünün plazma ortamındaki çarpışmaları simüle edebildiğini, daha doğru modelleme için devre tasarım parametrelerinin önemli olduğunu ve her iki uyarım durumunu aynı anda uygulamak için picFoam çözücüsünde uygulanan bazı çarpışma modellerinin iyileştirilmesinin gerekli olduğunu göstermektedir. Bu kıyaslama çalışmasında rezistans, kapasitans ve indüktans devre elemanları değerleri üzerinden daha fazla çalışma yapılması gerekmektedir. İkinci seçilen kıyaslama modeli için Hall itici fiziğindeki E ⃗×B ⃗ sürüklenmesi üzerinde çalışıldı. Bu model tek boyutlu azimut yönde E ⃗×B ⃗ sürüklenme çözümü gerektiren durum üzerinde çalışıldı. Ancak, burada gerçekleşen fiziksel olguların derinliklerine inmek yerine, bu kıyaslama çalışmasının picFoam üzerinde uygulanabilirliği üzerine çalışıldı. Simulasyon alanında eksenel yönde sabit elektrik alanı ve radyal yönde sabit manyetik alan uygulanarak azimuthal yönde mesh oluşturulmasıyla çözüm yapıldı. İlk kıyaslama modelinde olduğu gibi parçacıklara Maxwellian dağılım uygulandı. Bu modelde çarpışmalara yer verilmedi ve picFoam çözücüsü üzerinden simulasyon yapılırken herhangi bir çarpışma modeli uygulanmadı.. Ana makalede periyodik yaklaşımdan dolayı parçacıkların eksenel yönde normalden fazla olacak şekilde kayma gerçekleştirmesi(shifting) sebebiyle elektronların aşırı ısınmaya maruz kalacağı bildirilmiştir. Bu sorunu aşmak adına örneğin; elektronların kaynak yüzeye(source) çarpmasıyla alandan silinmesi ve onun yerine eş zamanlı olarak ortama başlangıç koşullarına sahip bir elektron parçacığının toplayıcı yüzeyden tekrar gönderilmesi şeklinde bir model dizayn edilmiştir. Bu tez çalışmasında ana makalede belirtilen elektonların aşırı ısınma probleminden dolayı sunulan çözüm tam olarak uygulanamadığı için bu soruna çözüm aramak nedeniyle 6 farklı simulasyon yaklaşımı uygulandı. Bu 6 farklı yaklaşım, parçacıkların başlangıç koşulları (parçacıkların simulasyon alanına yerleştirilmeleri) ve sınır koşullarındaki yansımalar (kaynak ve toplayıcı yüzeye çarpan parçacıkların yansıması ve silinmesi) üzerinden gerçekleştirildi. Sonuçlar iyon yoğunluk dağılımı üzerinden verildi ve ana makale üzerinden karşılaştırmalar yapıldı. Aynı zamanda azimuthal yöndeki iyon yoğunluk dağılımının yine o yönde oluşan elektrik alan dağılımıyla ilişkili olduğu gözlemlendi. Testlerin sonucunda, benzer sonuçlar üretebilen ancak tamamen aynı sonuçlara sahip olmayan bir simülasyon elde edildi. Bu nedenle daha iyi sonuçlar elde etmek için çalışmaya devam edilecek ve iki boyutlu model üzerinden çözüm yapılacaktır.
Özet (Çeviri)
Since the electrical field can produce a rocket thrust idea was given by pioneers, electrical propulsion became widely used in space missions. As humanity's interest in exploring space increased, the idea of developing efficient and relatively affordable spacecraft contributed to the development of electric propulsion thrusters. Hall thrusters which produce thrust by ionization of the plasma gases with electric field and magnetic field have become one of the interesting and attractive thrusters means of space propulsion; since, they are promising devices that can be used in deep space exploration, space mining satellite systems, etc. On the other hand, to be used efficiently and provide deeper distance in space, it needs to be studied for some problems regarding the event in the discharge chamber. More specifically, E ⃗×B ⃗ drift instability or anomalous electron transport is one of the most important and still needs more clarification and explanations about the physical phenomena inside the Hall thruster. To achieve this, it is needed that new codes or solvers that can model those physical problems more accurately and less costly. Although there are fluid or hybrid approaches that solve the simulation relatively cost-efficiently, to obtain a more comprehensive understanding of those physical problems, fully kinetic codes are needed. Therefore, in this thesis, an attempt was made to implement the new picFoam solver which is developed as a fully kinetic and electrostatic solver based on OpenFoam. Two benchmark cases which are capacitively coupled benchmarks for the low-pressure plasma and the other one is one-dimensional azimuthal particles in cell simulation were chosen. In the first case, some collision models which include elastic scattering, excitation, and ionization were implemented. The results from the first benchmark case show that the picFoam solver can simulate collisions in a plasma environment, emphasizing circuit design parameters for more accurate modeling, and improvement of some collision model applied in the picFoam solver is needed to implement both excitation states at the same time, more study is required to better accomplish. In the second benchmark case, a one-dimensional azimuthal E ⃗×B ⃗ drift case which includes the main problems in the Hall thruster physics, namely the E ⃗×B ⃗ drift instability and anomalous electron transport, was applied. However, instead of going deeper into those physical phenomena, an attempt was made to implement the picfoam solver for the specified benchmark case 2. Following tests, a simulation can produce similar results; however, it does not have same solutions. Therefore, this work will be continued for better outcomes.
Benzer Tezler
- Numerical analysis of ablation process on a two dimensional external surface
İki boyutlu dış yüzeylerde ısıl aşınma sayısal analizi
FATMA SERAP AYKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. FARUK ARINÇ
PROF.DR. ZAFER DURSUNKAYA
- Soil amplification and case studies for clayey soils
Zemin büyütmesi ve killi zeminler için vaka çalışmaları
EMRE BİRİNGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. EROL GÜLER
PROF. GÖKHAN BAYKAL
PROF. MUSTAFA ERDİK
- Implementation of one and two dimensional linear finite element programs with java language
Bir ve iki boyutlu lineer sonlu eleman programlarının java dili ile uygulaması
HİLMİ AYDIN İŞBAŞAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Bölümü
PROF. CENGİZ KARAKOÇ
- Three dimensional dynamics of micro tools and miniature ultra-high-speed spindles
Başlık çevirisi yok
BEKİR BEDİZ
- Analytical solutions of shallow-water wave equations
Sığ-su dalgalarının analitik çözümleri
BARAN AYDIN
Doktora
İngilizce
2011
MatematikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Bölümü
DOÇ. DR. UTKU KANOĞLU