Search citation statements
Paper Sections
Citation Types
Year Published
Publication Types
Relationship
Authors
Journals
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.
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.
Η θεωρητική σημασία των ταλαντωτικών αραιοποιημένων ροών αερίων για τον κλάδο της μηχανικής ρευστών είναι μεγάλη και εντοπίζεται στην ανακάλυψη καινοτόμων φαινομένων μεταφοράς εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας και στη σύνδεση με ενδιαφέρουσες εφαρμογές σε διάφορους τεχνολογικούς τομείς όπως η μικρορευστομηχανική και η τεχνολογία κενού. Όπως οι υδροδυναμικές ταλαντωτικές ροές, ομοίως οι ταλαντωτικές αραιοποιημένες ροές αερίων εμφανίζονται είτε σε οριοθετημένους χώρους με τοιχώματα που ταλαντώνονται παράλληλα ή κάθετα ως προς τη ροή είτε σε αγωγούς όπου η ροή δημιουργείται από ταλαντωτική ή παλμική διαφορά πίεσης ή δύναμης. Δεδομένου ότι η κλασσική προσέγγιση Navier-Stokes-Fourier δεν εφαρμόζεται στις αραιοποιημένες ροές αερίων, έχουν εφαρμοστεί κινητικές τεχνικές μοντελοποίησης και προσομοίωσης, οι οποίες βασίζονται στην υπολογιστική επίλυση είτε της εξίσωσης Boltzmann είτε αντίστοιχης εξίσωσης κατάλληλου κινητικού μοντέλου μέσω ντετερμινιστικών ή στοχαστικών σχημάτων. Οι ταλαντωτικές ροές αερίων βρίσκονται στο υδροδυναμικό όριο όταν και η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων του αερίου είναι μικρότερη ενός χαρακτηριστικού μήκους, καθώς επίσης και όταν η συχνότητα ταλάντωσης είναι μικρότερη της συχνότητας των συγκρούσεων. Όταν μια από τις δύο προϋποθέσεις δεν ισχύει, τότε η ροή χαρακτηρίζεται ως αραιοποιημένη και ανάλογα με το μέγεθος του χαρακτηριστικού μήκους και του χρόνου, ενδέχεται να βρίσκεται στη περιοχή μετάβασης ή στην ελεύθερη μοριακή περιοχή. Οι αραιοποιημένες ταλαντωτικές ροές αερίων λόγω κίνησης τοιχώματος έχουν διερευνηθεί εκτενώς τα τελευταία είκοσι χρόνια. Οι αραιοποιημένες ταλαντωτικές ή παλμικές ροές αερίων λόγω διαφοράς πίεσης ή δύναμης δεν έχουν λάβει την αντίστοιχη προσοχή. Οι ροές αυτές εμφανίζονται σε πολλές κλασσικές αλλά και καινοτόμες εφαρμογές στη περιοχή μετάβασης και στην ελεύθερη μοριακή περιοχή όπως για παράδειγμα σε πνευματικές γραμμές, σε ψύξη ηλεκτρονικών συστημάτων, σε παλμικούς αγωγούς, σε συσκευές ενίσχυσης μεταφοράς μάζας και θερμότητας, σε τεχνολογίες διαχωρισμού και ανάμειξης αερίων και σε συστήματα άντλησης αερίων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, οι ταλαντωτικές αραιοποιημένες ροές αερίων διαφόρων διατάξεων ροής μελετώνται σε όλο το εύρος της αραιοποίησης του αερίου και των συχνοτήτων ταλάντωσης. Η μελέτη περιλαμβάνει ταλαντωτικές και παλμικές πλήρως αναπτυγμένες ροές αερίων σε κυλινδρικούς και τετραγωνικούς αγωγούς, που υπόκεινται σε μικρές διαφορές του πλάτους της πίεσης, όπως επίσης και μη γραμμικές πλήρως αναπτυγμένες ροές ανάμεσα από δύο παράλληλες πλάκες, που υπόκεινται σε ταλαντωτικές δυνάμεις μικρού ή μεγάλου πλάτους. Η μελέτη των αγωγών επίσης περιλαμβάνει και τη ταλαντωτική ροή μείγματος δύο αερίων ανάμεσα από δύο παράλληλες πλάκες λόγω ταλαντωτικής διαφοράς πίεσης ή συγκέντρωσης. Επιπλέον, διερευνάται η ταλαντωτική ροή σε διατάξεις comb είτε κάθετης είτε παράλληλης αρμονικής ταλάντωσης του κινούμενου τοιχώματος. Ανάλογα με τη διάταξη της ροής, η ανάλυση υιοθετεί είτε τη ντετερμινιστική επίλυση των κινητικών μοντέλων BGK, Shakhov και McCormack είτε τη μέθοδο DSMC. Για όλες τις ροές, μελετάται η επίδραση των παραμέτρων της ροής και της γεωμετρίας πάνω στις μακροσκοπικές κατανομές και στις συνολικές ποσότητες οι οποίες χαρακτηρίζουν την εκάστοτε ροή και οδηγούν σε ευρήματα με τεχνολογικό και θεωρητικό ενδιαφέρον. Η ταλαντωτική ισοθερμοκρασιακή πλήρως αναπτυγμένη αραιοποιημένη ροή αερίου σε κυλινδρικό αγωγό και η αντίστοιχη παλμική αραιοποιημένη ροή σε ορθογωνικό αγωγό προσομοιώνονται με βάση το γραμμικοποιημένο χρονομεταβαλλόμενο κινητικό μοντέλο BGK σύμφωνα με οριακές συνθήκες τύπου Maxwell. Δίνονται αριθμητικά αποτελέσματα για το πλάτος, τη διαφορά φάσης και τη χρονική εξέλιξη των ποσοτήτων της ταχύτητας, της παροχής, της μέσης διατμητικής τάσης στο τοίχωμα, των δυνάμεων της αδράνειας και του ιξώδους καθώς και της χρονικά μεταβαλλόμενης και μέσης ισχύς άντλησης. Το εύρος των αποτελεσμάτων καλύπτει όλο το εύρος των παραμέτρων αραιοποίησης και συχνότητας ταλάντωσης. Τα κινητικά αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από αποτελέσματα αναλυτικών ή ημι-αναλυτικών λύσεων στη περιοχή ολίσθησης όπως και στην ελεύθερη μοριακή περιοχή, καθώς και με αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα μόνιμης ροής. Η μόνιμη ροή εμφανίζεται γρηγορότερα όταν το αέριο είναι πιο αραιό. Τα πλάτη της παροχής και της μέσης διατμητικής τάσης στο τοίχωμα είναι πάντα μικρότερα από τα αντίστοιχα μεγέθη της μόνιμης ροής. Γενικά, όταν αυξάνεται η συχνότητα, το πλάτος των μακροσκοπικών ποσοτήτων μειώνεται και η καθυστέρηση της διαφοράς φάσης τους σε σχέση με τη βαθμίδα πίεσης αυξάνεται και προσεγγίζει την οριακή τιμή των 90 μοιρών. Ο λεπτομερής υπολογισμός των δυνάμεων αδράνειας και ιξώδους σε σχέση με τις παραμέτρους αραιοποίησης και ταλάντωσης, αποσαφηνίζει πότε η ροή αποτελείται από ένα ή δύο μέρη ροής. Όταν υπάρχουν δύο μέρη ροής, η μία ροή στο κέντρο είναι ροή χωρίς ιξώδες ενώ η άλλη εμφανίζει οριακά στρώματα Stokes στα τοιχώματα που χαρακτηρίζονται από υψηλότερη ταχύτητα σε σχέση με το κέντρο της ροής (φαινόμενο Richardson). Όσο το αέριο γίνεται πιο αραιό, χρειάζονται υψηλότερες συχνότητες για να εμφανιστεί αυτό το φαινόμενο. Η συμπεριφορά της παροχής δεν είναι μονοτονική σε σχέση με τη παράμετρο της αραιοποίησης και το μέγιστο πλάτος της εμφανίζεται σε κάποια ενδιάμεση τιμή της παραμέτρου αραιοποίησης, η οποία εξαρτάται όμως και από την παράμετρο της ταλάντωσης. Ο συντελεστής των οριακών συνθηκών τύπου Maxwell, που χαρακτηρίζει την αλληλεπίδραση αερίου-τοιχώματος, επιδρά σημαντικά μόνο στα πλάτη των μακροσκοπικών ποσοτήτων ενώ η επίδραση του στη διαφορά φάσης τους είναι πολύ μικρή. Η μέση ισχύς άντλησης αυξάνεται όταν η συχνότητα ταλάντωσης μειώνεται και η μέγιστη τιμή της ισούται με τη μισή της αντίστοιχης ισχύς άντλησης μόνιμης ροής. Στη συνέχεια, αναλύεται η μη γραμμική ταλαντωτική πλήρως αναπτυγμένη αραιοποιημένη ροή αερίου λόγω εξωτερικής δύναμης μέσω της μεθόδου DSMC καθώς και μέσω των μη γραμμικών μοντέλων BGK και Shakhov σε οριακές συνθήκες πλήρους διάχυσης. Παρατηρήθηκε πως η χρονική εξέλιξη σχεδόν όλων των ποσοτήτων παραμένει αρμονική και με συχνότητα ίδια με αυτή της δύναμης χωρίς να εμφανίζονται υψηλότερες αρμονικές λόγω των μεγάλων δυνάμεων. Η μόνη ποσότητα που εμφανίζει υψηλότερες αρμονικές είναι η μέση αξονική θερμορροή. Επίσης, η επίδραση των μη γραμμικών φαινομένων είναι εντονότερη σε υψηλά αραιοποιημένες ροές και χαμηλές συχνότητες ταλάντωσης. Τα αποτελέσματα με τη μέθοδο DSMC συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα της γραμμικής ταλαντωτικής ροής για μικρές δυνάμεις και η απόκλιση μεταξύ των δύο παραμένει μικρότερη του 10%. Αντιθέτως, για μεγάλες δυνάμεις η απόκλιση αυξάνεται στο 25%. Το διτροπικό σχήμα της κατανομής θερμοκρασίας και η μη συνεχής κατανομή της πίεσης, που έχουν ήδη μελετηθεί για μόνιμες ροές, παρατηρούνται και εδώ και επιπρόσθετα στη συγκεκριμένη περίπτωση εξαρτώνται από τη παράμετρο αραιοποίησης και τη παράμετρο ταλάντωσης. Η ποσότητα που επηρεάζεται περισσότερο από το πλάτος της εξωτερικής δύναμης είναι η μέση αξονική θερμορροή. Εμφανίζει μία σύνθετη μη-ημιτονοειδής κατανομή που περιέχει αρκετές αρμονικές στη περίπτωση που εφαρμόζονται μεγάλες εξωτερικές δυνάμεις, σε υψηλά αραιοποιημένες ροές και χαμηλές συχνότητες ταλάντωσης. Η μέση ισχύς άντλησης αυξάνεται αναλογικά με το τετράγωνο του πλάτους της εξωτερικής δύναμης και είναι μικρότερη από την αντίστοιχη γραμμική, ακολουθώντας πάντα την ίδια τάση με τις παροχές. Στην περίπτωση μη ισοθερμοκρασιακών πλακών, η μέση κάθετη θερμορροή δεν ενισχύεται με την αύξηση είτε της συχνότητας ταλάντωσης είτε του εύρους της δύναμης. Η μέθοδος DSMC και τα κινητικά μοντέλα συμπίπτουν στις παροχές και τις διατμητικές τάσεις αλλά όχι στη περίπτωση των θερμορροών.Η μελέτη των ταλαντωτικών ροών σε αγωγούς ολοκληρώνεται με τη διερεύνηση της ταλαντωτικής αραιοποιημένης ροής μείγματος δύο αερίων λόγω διαφοράς πίεσης ή συγκέντρωσης ανάμεσα από δύο παράλληλες πλάκες. Η μοντελοποίηση γίνεται με το κινητικό μοντέλο McCormack σε οριακές συνθήκες πλήρους διάχυσης. Παρουσιάζονται αποτελέσματα για τα μείγματα Ήλιο-Ξένο, Ήλιο-Αργό και Νέον-Αργό των οποίων η συγκέντρωση κυμαίνεται από μηδέν έως ένα. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τις μακροσκοπικές ποσότητες κάθε αερίου και του μείγματος και επιβεβαιώνονται επιτυχώς με διάφορους τρόπους συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης του πλέγματος, της ικανοποίησης του ισοζυγίου δυνάμεων καθώς και μέσω συγκρίσεων σε οριακές καταστάσεις, π.χ. με αποτελέσματα της μόνιμης ροής μειγμάτων και με αποτελέσματα της ταλαντωτικής ροής μονοατομικού αερίου. Η παροχή, η διατμητική τάση στο τοίχωμα και η ισχύς άντλησης της ταλαντωτικής ροής του μείγματος αερίων μοιάζουν ποιοτικά με τις αντίστοιχες ποσότητες της ταλαντωτικής ροής ενός αερίου, όσον αφορά τις παραμέτρους αραιοποίησης και ταλάντωσης. Όμως, υπάρχουν και ποσοτικές διαφορές ιδιαίτερα στις παροχές οι οποίες εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και τη σύνθεση του μείγματος. Όταν αυξάνεται ο λόγος μοριακής μάζας του βαρέος συστατικού ως προς το ελαφρύ, τότε το πλάτος της παροχής του μείγματος γίνεται μεγαλύτερο σε σχέση με το αντίστοιχο της ροής ενός μονοατομικού αερίου ενώ η διαφορά φάσης γίνεται μικρότερη. Η μεταβολή της παροχής σε σχέση με τη συγκέντρωση είναι μη μονοτονική ενώ το εύρος και η διαφορά φάσης της παροχής εμφανίζουν αντίστοιχα μέγιστες και ελάχιστες τιμές στις ενδιάμεσες τιμές της συγκέντρωσης. Όσον αφορά το κάθε συστατικό, έχει βρεθεί ότι καθώς αυξάνεται η συχνότητα ταλάντωσης, παρόλο που τα πλάτη της παροχής αμφοτέρων των συστατικών μειώνονται, η σχετική διαφορά μεταξύ των παροχών των συστατικών αυξάνεται. Αυτό το φαινόμενο γίνεται πιο έντονο καθώς το αέριο γίνεται πιο πυκνό, κάτι που σίγουρα δεν είναι αναμενόμενο, αφού είναι γνωστό πως τα φαινόμενα διαχωρισμού ενός αερίου μειώνονται καθώς το αέριο γίνεται πυκνότερο. Αυτό οφείλεται σε φαινόμενα αδράνειας, τα οποία αυξάνονται όσο αυξάνεται η συχνότητα ταλάντωσης και επηρεάζουν τη παροχή του βαρέος συστατικού περισσότερο σε σχέση με τη παροχή του ελαφρύτερου. Το φαινόμενο ενισχύεται και άλλο όταν η ροή γίνει πυκνότερη με αποτέλεσμα οι συγκρούσεις των μορίων να υπερισχύουν των φαινομένων διάχυσης, εφόσον όμως η συχνότητα ταλάντωσης είναι αρκετά μεγάλη. Έχει επιβεβαιωθεί ότι στις υψηλές συχνότητες, ο λόγος της παροχής του ελαφρύτερου συστατικού προς τη παροχή του βαρέος συστατικού τείνει στο λόγο της μοριακής μάζας του βαρύτερου προς το ελαφρύτερο, ανεξάρτητα από το βαθμό αραιοποίησης του αερίου. Επίσης, η υστέρηση φάσης της παροχής του βαρέος συστατικού είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του ελαφρύτερου, ενώ το φαινόμενο της υψηλής ταχύτητας στα τοιχώματα γίνεται περισσότερο έντονο όσο αυξάνεται η μοριακή μάζα του κάθε συστατικού. Τα υπάρχοντα αποτελέσματα μπορούν να αξιοποιηθούν για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη συσκευών διαχωρισμού αερίων που λειτουργούν σε μέτριες και υψηλές συχνότητες ταλάντωσης και σε όλο το εύρος της αραιοποίησης του αερίου και να εφαρμοστούν σε διάφορους τεχνολογικούς τομείς. Στη συνέχεια, μελετάται η κλασσική ταλαντωτική ροή Couette και η δισδιάστατη ταλαντωτική αραιοποιημένη ροή σε διάταξεις comb που υπόκειται σε κάθετη ή σε παράλληλη αρμονική ταλάντωση του κινούμενου τοιχώματος. Η ροή Couette αναλύεται με το γραμμικοποιημένο κινητικό μοντέλο BGK και χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκριτική αξιολόγηση των μιγαδικών κινητικών κωδικών. Πολύ καλή σύγκριση παρατηρείται ανάμεσα στα υπάρχοντα αποτελέσματα και τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Επίσης, γίνεται αναφορά σε ένα υπολογιστικά αποδοτικό σχήμα τύπου marching όπου το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της κινητικής εξίσωσης επιλύεται ξεχωριστά. Επιπλέον, γίνεται αναφορά σε δύο στρατηγικές παραλληλοποίησης με βάση τα πακέτα OpenMP και OpenACC. Το πλεονέκτημα των συγκεκριμένων πακέτων εντοπίζεται στην επιτάχυνση της διαδικασία επίλυσης του προβλήματος χωρίς να απαιτούνται σημαντικές τροποποιήσεις στον αρχικό κινητικό κώδικα. Στη συνέχεια, οι αναπτυγμένοι επαληθευμένοι παράλληλοι κώδικες επεκτείνονται και προσαρμόζονται και στις άλλες εξεταζόμενες ροές αερίων. Η χρονομεταβαλλόμενη ροή σε διάταξη comb επιλύεται με το γραμμικό κινητικό μοντέλο Shakhov σε οριακές συνθήκες πλήρους διάχυσης. Το τμήμα που ταλαντώνεται είναι το εσωτερικό και λόγω της ταλάντωσης εμφανίζονται πολύπλοκα μοτίβα ροής τα οποία εξαρτώνται από τη παράμετρο αραιοποίησης και ταλάντωσης καθώς και από τις διαστάσεις της διάταξης comb. Τα αποτελέσματα εστιάζουν στην μέση ορθή και διατμητική τάση στα κινούμενα τοιχώματα. Όταν αυξάνεται η παράμετρος αραιοποίησης, τα δύο πλάτη των τάσεων αρχικά μειώνονται μέχρι μια ελάχιστη τιμή, μετά αυξάνονται ελάχιστα και στη συνέχεια εμφανίζουν μια ταλαντωτική συμπεριφορά μέχρι οι τιμές τους να παραμείνουν σταθερές. Τα τοπικά ελάχιστα και μέγιστα στα πλάτη αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες καταστάσεις αντι-συντονισμού και συντονισμού αντίστοιχα και αυτές οι καταστάσεις μπορούν να εφαρμοστούν για έλεγχο του συστήματος. Οι διαστάσεις της διάταξης comb επηρεάζουν τη ροή σημαντικά σε χαμηλές συχνότητες ταλαντώσεων. Αντίθετα, στη περιοχή υψηλής συχνότητας οι διαστάσεις της διάταξης comb δεν επηρεάζουν την κάθετη και τη διατμητική τάση οι οποίες παραμένουν σταθερές. Σε αυτές τις περιπτώσεις παρατηρείται εγκλωβισμός του αερίου και η ροή μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μονοδιάστατη. Τα υπάρχοντα αποτελέσματα μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη των αισθητήρων επιτάχυνσης νέας γενιάς και των ταλαντωτών. Εν κατακλείδι, εξετάστηκαν διάφορες περιπτώσεις ταλαντωτικών ροών σε όλο το εύρος των παραμέτρων της αραιοποίησης του αερίου και της συχνότητας ταλάντωσης αφού πρώτα χρησιμοποιηθήκαν συγκεκριμένες κινητικές μεθοδολογίες και τεχνικές προσομοίωσης και μοντελοποίησης. Η μελέτη των ταλαντωτικών και παλμικών ροών μονοατομικών αερίων και μειγμάτων αερίων σε αγωγούς με εξωτερικούς κινητήριους μηχανισμούς, που έχουν είτε μικρό είτε μεγάλο πλάτος ταλάντωσης, καθώς επίσης και της απόκρισης της ταλαντωτικής ροής σε διάταξη comb είναι καινοτόμα. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα παρουσιάζονται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία. Τα θεωρητικά ευρήματα και τα υπολογιστικά αποτελέσματα που αναφέρθηκαν εδώ μπορεί να αξιοποιηθούν στον λεπτομερή σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση διαφόρων τεχνολογικών συσκευών.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
customersupport@researchsolutions.com
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.