Modeling of ITER related vacuum gas pumping distribution systems

Misdanitis, S.; Valougeorgis, Dimitris

doi:10.1016/j.fusengdes.2013.05.034

Cited by 6 publications

(4 citation statements)

References 5 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…At the Laboratory of Transport Phenomena and Process Equipment at the University of Thessaly (UTH), an in-house code has been developed by S. Misdanitis for simulating steady-state gas distribution systems in the whole range of the Knudsen number [96,97]. This is achieved by integrating a dense kinetic database providing the flow rates through pipe elements of various geometries subject to any pressure difference into a typical gas network solver.…”

Section: Vacuum Systemsmentioning

confidence: 99%

“…In this section, the algorithm of the UTH steady-state network code that has been described in detail in [96,97,147] is briefly reviewed mainly for completeness and clarity purposes. The flowchart of this code is shown in Fig.…”

Section: The Uth Steady-state Network Codementioning

confidence: 99%

“…To circumvent this pitfall, at the University of Thessaly (UTH) in-house codes have been developed for simulating gas pumping distribution systems of arbitrary size and complexity in the whole range of rarefaction (free-molecular, transition and viscous regimes) under steady-state [96,97,147] and time-dependent conditions [148]. This is achieved by integrating a dense kinetic database providing the flow rates through pipe elements of various geometries subject to any pressure difference into a typical gas network solver.…”

Section: Simulation Of Gas Distribution Systems 51 Introductionmentioning

confidence: 99%

See 2 more Smart Citations

Gaseous transport phenomena in rarefied conditions via deterministic and stochastic methods with applications in vacuum and fusion engineering

Vasileiadis¹,

Βασιλειάδης²

View full text Add to dashboard Cite

Το επιστημονικό πεδίο της θεωρητικής και υπολογιστικής μελέτης φαινομένων μεταφοράς αερίων υπό αραιοποιημένες συνθήκες, προσελκύει σταθερά σημαντική προσοχή. Αυτά τα φαινόμενα απέχουν από την τοπική ισορροπία και η βασική ερμηνεία και μοντελοποίηση τους βασίζονται στην κινητική θεωρία, όπως περιγράφεται από την εξίσωση Boltzmann (BE). Τα εν λόγω φαινόμενα είναι μείζονος σημασίας σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες και τεχνολογικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS), των ημιαγωγών, των ροών αερολυμάτων και της τεχνολογίας κενού (π.χ. επιταχυντές σωματιδίων και αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης).Στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται εξελιγμένο και προηγμένο λογισμικό ντετερμινιστικής και στοχαστικής κινητικής μοντελοποίησης βάσει της μεθόδου Discrete Velocity (DVM) και της μεθόδου Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), αντίστοιχα. Το ανεπτυγμένο λογισμικό επιβεβαιώνεται βάσει αρκετών προβλημάτων αναφοράς και εφαρμόζεται για την αντιμετώπιση ποικίλων θεμάτων που σχετίζονται με φαινόμενα μεταφοράς αερίων υπό αραιοποιημένες συνθήκες.Η προηγμένη ντετερμινιστική κινητική μοντελοποίηση περιλαμβάνει τη λύση της γραμμικοποιημένης εξίσωσης Boltzmann σε γεωμετρία παράλληλων πλακών, τη διερεύνηση αραιοποιημένων ροών που περιλαμβάνουν έγχυση και αναρρόφηση αερίου και την εξέλιξη ενός κώδικα δικτύων αερίου για την προσομοίωση συστημάτων διανομής αερίου αυθαίρετης πολυπλοκότητας που λειτουργούν υπό οποιεσδήποτε συνθήκες κενού.Η επίλυση της γραμμικοποιημένης εξίσωσης Boltzmann με ενδομοριακό δυναμικό σκληρών σφαιρών επαληθεύεται βάσει του υπολογισμού της θερμικής αγωγιμότητας και του ιξώδους των αερίων, καθώς και βάσει της επίλυσης της πλήρους ανεπτυγμένης ροής μεταξύ παράλληλων πλακών λόγω βαθμίδων πίεσης και θερμοκρασίας. Στην συνέχεια, η εξίσωση Boltzmann χρησιμοποιείται για την μοντελοποίηση της πλήρους ανεπτυγμένης ροής μεταξύ παράλληλων πλακών λόγω αρμονικά ταλαντωτικής βαθμίδας πίεσης σε όλο το εύρος αραιοποίησης και συχνότητας ταλάντωσης. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα περιέχουν τα πλάτη και τις φάσεις όλων των μακροσκοπικών ποσοτήτων (π.χ. κατανομή ταχύτητας, μαζική παροχή). Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, βάσει του μοντέλου BGK, επαληθεύοντας το εύρος εφαρμογής του μοντέλου BGK.Μελετώνται αρκετές αραιοποιημένες ροές που περιλαμβάνουν έγχυση και αναρρόφηση αερίου. Οι ροές αυτές περιλάμβαναν την μελέτη της πλήρους ανεπτυγμένης ροής μεταξύ παράλληλων διαπερατών πλακών λόγω βαθμίδων πίεσης και θερμοκρασίας, με έγχυση και αναρρόφηση αερίου από την κάτω και πάνω πλακά, καθώς και την μελέτη της πλήρους ανεπτυγμένης ροής πάνω από διαπερατή πλάκα που αναρροφά αέριο. Οι συγκεκριμένες ροές έχουν θεωρητικό και πρακτικό ενδιαφέρον σε εφαρμογές με πορώδη υλικά και προσρόφηση/εκρόφηση και ενώ έχουν μελετηθεί εκτενώς στο υδροδυναμικό όριο, δεν έχουν μελετηθεί ποτέ υπό αραιοποιημένες συνθήκες. Η κινητική μοντελοποίηση βασίζεται στο κινητικό μοντέλο Shakhov (S) και στην εξίσωση Boltzmann. Παρουσιάζονται νέα αποτελέσματα για την μαζική παροχή και την θερμοροή στην ροή δια μέσου διαπερατού καναλιού λόγω βαθμίδας πίεσης και θερμοκρασίας, καθώς και για το πάχος του οριακού στρώματος στην ροή πάνω από διαπερατή πλάκα. Τα αποτελέσματα του μοντέλου S είναι σε πλήρη συμφωνία με τα αντίστοιχα της εξίσωσης Boltzmann, αιτιολογώντας την χρήση κινητικών μοντέλων σε αραιοποιημένες ροές με έγχυση και αναρρόφηση αερίου.Ο κώδικας δικτύων αερίου σταθερών συνθηκών ARIADNE, εξελίσσεται μέσω αλγορίθμων για την εύρεση των βρόχων και ψευδοβρόχων του δικτύου και την προσομοίωση αυθαίρετου αριθμού αντλιών. Επιπλέον, με την ανάπτυξη ενός υβριδικού χρονομεταβαλλόμενου κώδικα δικτύων αερίου, ο οποίος εφαρμόζει τον κώδικα ARIADNE σε κάθε χρονικό βήμα, είναι εφικτή η μοντελοποίηση και προσομοίωσης της χρονομεταβαλλόμενης συμπεριφοράς δικτύων διανομής αερίου αυθαίρετης πολυπλοκότητας σε ολόκληρο το εύρος του αριθμού Knudsen. Ο χρονομεταβαλλόμενος κώδικας έχει επαληθευτεί βάσει δύο προβλημάτων αναφοράς. Οι δυνατότητες των ανεπτυγμένων κωδίκων αποδεικνύονται με την προσομοίωση του συστήματος άντλησης του αντιδραστήρα σύντηξης ITER, ένα από τα πιο πολύπλοκα, παγκοσμίως, κατά τη διάρκεια των φάσεων καύσης και εκκένωσης. Και στις δύο περιπτώσεις, διερευνώνται διάφορα σενάρια άντλησης και παρουσιάζονται χρήσιμα αποτελέσματα για την αντλούμενη παροχή και τη χρονική εξέλιξη της πίεσης του τόρου. Συμπεραίνεται ότι, και στις δύο φάσεις, η αντλούμενη παροχή εξαρτάται σχεδόν γραμμικά από τον αριθμό των αντλιών που λειτουργούν. Επιπλέον, στη φάση εκκένωσης, η επιθυμητή πίεση του τόρου επιτυγχάνεται σε ολόκληρο το εύρος του δείκτη απόσβεσης της εκρόφησης μόνο όταν χρησιμοποιούνται και οι έξι διαθέσιμες αντλίες. Η προηγμένη στοχαστική κινητική μοντελοποίηση περιλαμβάνει την εφαρμογή της μεθόδου ανάλυσης αβεβαιότητας Monte Carlo σε δίκτυα αερίων και την εξέλιξη του τρισδιάστατου κώδικα DSMC PROGRESS για την προσομοίωση της μεταφοράς σφαιρικών στερεών σωματιδίων δια μέσου αραιοποιημένου αερίου. Ο κώδικας δικτύων σταθερών συνθηκών χρησιμοποιείται για την εφαρμογή της μεθοδολογίας ανάλυσης αβεβαιοτήτων Monte Carlo σε δίκτυα διανομής αερίου. Βάσει των παραπάνω, προσδιορίζεται η αβεβαιότητα των ποσοτήτων εξόδου, όπως η αντλούμενη παροχή λόγω της αβεβαιότητας των ποσοτήτων εισόδου, όπως η ακτίνα των σωλήνων, το μήκος των σωλήνων, οι μετρήσεις πίεσης και η ταχύτητα άντλησης. Ο τρισδιάστατος κώδικας DSMC PROGRESS τροποποιείται κατάλληλα για να προσομοιώσει τη μεταφορά ενός σφαιρικού στερεού σωματιδίου δια μέσου αραιοποιημένου αερίου για αυθαίρετες σύνθετες γεωμετρίες. Τα σωματίδια του αερίου και το στερεό σωματίδιο αλληλεπιδρούν και τόσο η μεταφορά του στερεού σωματιδίου όσο και η ροή του περιβάλλοντος αερίου διέπονται από τις συγκρούσεις στερεού-αερίου. Οι δυνατότητες του ανεπτυγμένου κώδικα αποδεικνύονται και επαληθεύονται βάσει τριών προβλημάτων αναφοράς, που περιλαμβάνουν τη θερμοφόρηση, καθώς και τη μεταφορική και περιστροφική κίνηση Brown. Στο πρόβλημα της θερμοφόρησης εξετάζεται η θερμοφορητική δύναμη που ασκείται σε ένα στερεό σφαιρικό σωματίδιο αιωρούμενο σε ένα αραιοποιημένο αέριο μεταξύ δύο παράλληλων πλακών ελαφρά διαφορετικών θερμοκρασιών. Στη μεταφορική και περιστροφική κίνηση Brown, μελετάται η τυχαία μετατόπιση και περιστροφή, αντίστοιχα, ενός στερεού σωματιδίου που αιωρείται σε αέριο στην ελεύθερη μοριακή περιοχή. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο ανεπτυγμένος κωδικός αεροζόλ είναι σε εξαιρετική συμφωνία με τα διαθέσιμα υπολογιστικά και θεωρητικά αποτελέσματα.Η παρούσα εργασία δύναται να είναι χρήσιμη στην επιστημονική κοινότητα δυναμικής αραιοποιημένων αερίων και να υποστηρίξει το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση εφαρμογών, συσκευών και συστημάτων στους τομείς τεχνολογίας κενού και σύντηξης.

show abstract

Section: Vacuum Systemsmentioning

confidence: 99%

Section: The Uth Steady-state Network Codementioning

confidence: 99%

Section: Simulation Of Gas Distribution Systems 51 Introductionmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Gaseous transport phenomena in rarefied conditions via deterministic and stochastic methods with applications in vacuum and fusion engineering

Vasileiadis¹,

Βασιλειάδης²

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…The nal version of the network algorithm is a more complete and versatile version of the algorithm presented in [81,82]. The in-house developed Algorithm for Rareed gas ow In Arbitrary Distribution NEtworks (ARIADNE) (Figure 3.…”

Section: Algorithm Implementationmentioning

confidence: 99%

Rarefied gas pipe network analysis via kinetic theory

Misdanitis¹,

Μισδανίτης²

View full text Add to dashboard Cite

Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζει στην ανάπτυξη ενός αλγορίθμου προσομοίωσης δικτύων αερίων υπό αραιοποιημένες συνθήκες μέσω κινητικής θεωρίας. Η περιοχή αυτή είναι γνωστή σαν αραιοποιημένη αεριοδυναμική (rarefied gas dynamics) με πολλές τεχνολογικές εφαρμογές εκ των οποίων τα μικρο-ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα και η τεχνολογία κενού να είναι αυτές που εξελίσσονται με πολύ γρήγορους ρυθμούς. Σημειώνεται ότι ενώ στο συνεχές όριο, υπολογιστικά πακέτα (αλγόριθμοι) σχεδιασμού δικτύων σωληνώσεων (όπως δίκτυα συμπιεσμένου αέρα ή φυσικού αερίου, κτλ.) είναι ευρέως διαδεδομένα, αντίστοιχα υπολογιστικά εργαλεία για το σχεδιασμό δικτύων σε συνθήκες χαμηλής πίεσης (υψηλού, μέτριου ή χαμηλού κενού) είναι αρκετά περιορισμένα. Αξιοποιώντας την πολύχρονη εμπειρία του Eργαστηρίου Φυσικών & Χημικών Διεργασιών σε αριθμητικές μεθόδους μεσοκλίμακας, στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύσσεται και εφαρμόζεται σύνθετο λογισμικό προσομοίωσης κυκλοφορίας αραιοποιημένων αερίων σε δίκτυα σωληνώσεων σε όλο το εύρος του αριθμού Knudsen. Για την υλοποίηση αυτού του εγχειρήματος δημιουργείται εκτενής βάση δεδομένων για πλήρως ανεπτυγμένες και αναπτυσσόμενες ροές μέσα από αγωγούς μεγάλου, μεσαίου και μικρού μήκους, συμπεριλαμβανομένων των φαινομένων εισόδου/εξόδου στα άκρα των αγωγών. Αυτό επιτυγχάνεται επιλύοντας κινητικές εξισώσεις με αναβαθμισμένους και παράλληλους αλγορίθμους διακριτών μοριακών ταχυτήτων, ενώ η χρήση του λογισμικού υποβοηθείται από ένα γραφικό περιβάλλον το οποίο αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό. Η τελική μορφή του αλγορίθμου αποτελείται από α) την εισαγωγή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών του δικτύου προς επίλυση, β) τον ορισμό των βρόχων και των ψευδο-βρόχων, γ) τη διαμόρφωση και επίλυση των εξισώσεων διατήρησης μάζας και ενέργειας, δ) τη βάση δεδομένων που έχει προκύψει από αποτελέσματα κινητικών εξισώσεων και χρησιμοποιείται για την επίλυση των εξισώσεων διατήρησης και ε) τα αποτελέσματα του αλγορίθμου τα οποία αναφέρονται σε τιμές πίεσης στους κόμβους του δικτύου καθώς και σε τιμές μαζικής και ογκομετρικής παροχής μέσα από τις σωληνώσεις του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα των εξισώσεων το οποίο περιγράφει το δίκτυο αποτελείται από τις εξισώσεις πτώσης πίεσης σε κάθε έναν από τους αγωγούς του δικτύου σε συνδυασμό με τις εξισώσεις διατήρησης μάζας σε κάθε έναν από τους κόμβους του δικτύου. Στην περίπτωση που το δίκτυο είναι πλήρως ορισμένο, οι εξισώσεις πτώσης πίεσης ανάγονται σε ισοζύγια ενέργειας ανάμεσα στους κλειστούς βρόχους του δικτύου και τους ψευδο-βρόχους που ενώνουν κόμβους γνωστών ιδιοτήτων (π.χ. γνωστές τιμές πίεσης). Το σύστημα των εξισώσεων λύνεται επαναληπτικά έχοντας ως άγνωστο τις τιμές των παροχών υποθέτοντας αρχικά τις τιμές των πιέσεων στους κόμβους του δικτύου, όπου αυτές δεν είναι από την αρχή γνωστές. Σε κάθε βήμα, μετά την επίλυση του συστήματος των εξισώσεων, οι τιμές των πιέσεων ανανεώνονται σύμφωνα με τις τιμές της αδιάστατης παροχής κάνοντας χρήση των σχέσεων πτώσης πίεσης για κάθε έναν από τους αγωγούς του δικτύου. Τα βήματα αυτά αποτελούν τον πυρήνα μιας επαναληπτικής διαδικασίας η οποία τερματίζεται με την ικανοποίηση του κριτηρίου σύγκλισης το οποίο εφαρμόζεται στις τιμές των πιέσεων στους κόμβους. Το υπολογιστικό πακέτο φέρει το όνομα ARIADNE (Algorithm for Rarefied gas flow in Arbitrary Distribution Networks). Η αποτελεσματικότητα και η ακρίβεια του αλγορίθμου ελέγχθηκε με την προσομοίωση διαφόρων δικτύων σωληνώσεων στο υδροδυναμικό όριο, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με αντίστοιχα που προκύπτουν από τυπικό αλγόριθμο που βασίζεται στις υδροδυναμικές εξισώσεις επιστρέφοντας πολύ καλή συμφωνία τόσο στις παροχές των αγωγών, όσο και στις πιέσεις των κόμβων του δικτύου. Επιπλέον, στην ελεύθερη μοριακή περιοχή και στην μεταβατική πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις με το λογισμικό ITERVAC, το οποίο είναι ένας ημι-εμπειρικός αλγόριθμος, επιστρέφοντας πολύ καλή συμφωνία. Τέλος, το λογισμικό εφαρμόστηκε στην επίλυση δικτύων που προσεγγίζουν το σύστημα άντλησης αερίων του αντιδραστήρα σύντηξης ITER. Με βάση τα παραπάνω η παρούσα διδακτορική διατριβή αναμένεται να αποτελέσει τον πυρήνα ενός γενικότερου αλγορίθμου για τη μελέτη ροών αερίων σε δίκτυα σωληνώσεων σε όλο το εύρος αραιοποίησης.

show abstract