Ανάπτυξη μοντέλου σταθερής δύναμης για την μελέτη ροής ηλίου σε περιβάλλον αέρα υπό την επίδραση ηλεκτρικών εκκενώσεων
Loading...
Date
Authors
Λογοθέτης, Δημήτρης
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών υπο την επίβλεψη του Dr. Πολύκαρπου Παπαδόπουλου. Η μελέτη και η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και έχει τίτλο “Ανάπτυξη μοντέλου σταθερής δύναμης για την μελέτη ροής ηλίου σε περιβάλλον αέρα υπο την επίδραση ηλεκτρικών εκκενώσεων”. Ένα κομμάτι της εργασίας παρουσιάστηκε στο 12ΤΗ International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering με τίτλο “Comparison of two electro-hydrodynamic force models for the interaction between helium jet flow and an atmospheric-pressure plasma jet” ενώ το μεγαλύτερο μέρος της έχει δημοσιευτεί στο περιοδικό Computers & Fluids με τίτλο “Numerical simulation of the interaction between helium jet flow and an atmospheric-pressure plasma jet”.
Οι διατάξεις παραγωγής ψυχρού πλάσματος υπο ατμοσφαιρική πίεση παρέχουν ιδιαίτερες τεχνολογικές καινοτομίες, σπάζοντας το φράγμα της τεχνολογίας κενού στις οποίες βασίζονται οι τεχνικές πλάσματος χαμηλής πίεσης. Παράλληλα, τα συγκριτικά πλεονεκτήματα τους, όπως η εύκολη κατασκευή τους αλλά και η δυνατότητα που παρέχουν για παραγωγή πλάσματος σε θερμοκρασίες πολύ κοντά σε αυτές του περιβάλλοντος, τις καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικές στην ερευνητική κοινότητα για εφαρμογές τόσο στην βιομηχανία όσο και στην βιοϊατρική. Η θεμελιώδης φυσική που τους διέπει, σχετίζεται με την δημιουργία και την διάδοση σφαιρών πλάσματος (plasma bullets), όταν σε αντιδραστήρες ηλεκτρικών εκκενώσεων εφαρμόζονται υψηλές τάσεις. Συγκεκριμένα, οι σφαίρες πλάσματος είναι καθοδηγούμενα ιονισμένα κύματα τα οποία αλληλεπιδρούν με το ιδανικό αέριο που χρησιμοποιείται (συνήθως Αργό ή Ήλιο), μεταβάλλοντας την δομή του ρευστού, το οποίο εξέρχεται σε περιβάλλον αέρα υπο την μορφή πίδακα (jet).
Η υπολογιστική μελέτη προς αυτή την κατεύθυνση, καλείται να δώσει απαντήσεις στις οποίες η πειραματική από μόνη της αδυνατεί. Παράλληλα, καλείται να αντιμετωπίσει προκλήσεις που συνδέονται με την πολυπλοκότητα των συγκεκριμένων διατάξεων. Συγκεκριμένα, ο διαχωρισμός της πραγματοποιείται μέσω δύο βασικών υπολογιστικών προσεγγίσεων ως προς την χρονική και την χωρική κλίμακα που χρησιμοποιείται. Στην πρώτη, μέσω σύνθετων μαθηματικών μοντέλων μελετάται τόσο η δομή όσο και τα χαρακτηριστικά των κυμάτων ιονισμού για χρονική κλίμακα της τάξεως nanosecond και χωρική κλίμακα που μπορεί να προσεγγίσει την κίνηση των ηλεκτρονίων. Στη δεύτερη, μέσω προσεγγίσεων, η ανάλυση κινείται προς την ρευστοδυναμική κατεύθυνση με χρονική τάξη μερικών δευτερολέπτων και χωρική κλίμακα της κίνησης των ιόντων και των ατόμων του ρευστού. Σε σχέση με την μακροσκοπική ανάλυση, η ανάλυση της πρόσφατης βιβλιογραφίας αναδεικνύει μια σημαντική έλλειψη σε αριθμό εργασιών, αλλά και τον περιορισμό που παρουσιάζουν οι συγκεκριμένες εργασίες, στην ικανοποιητική μελέτη της αλληλεπίδρασης του ρευστού με το ψυχρό πλάσμα. Έτσι, σημαντικά ερωτήματα μένουν να απαντηθούν, με ένα από τα βασικότερα να σχετίζεται με τους μηχανισμούς που δρουν και τελικά αναδιαμορφώνουν την δομή της ροής, όταν αυτή βρίσκεται υπο την επίδραση του πλάσματος.
Η παρούσα εργασία κινείται σε αυτή την κατεύθυνση. Χρησιμοποιείται ένα απλοποιημένο μαθηματικό μοντέλο έκφρασης της ηλεκτροϋδροδυναμικής δύναμης, η οποία ορίζεται, ως ο κύριος μηχανισμός αναδιαμόρφωσης της δομής της ροής. Αρχικός στόχος είναι η διερεύνηση της ικανότητας του μοντέλου να προσομοιώσει τα πειραματικά δεδομένα τα οποία συλλέχτηκαν από την βιβλιογραφία και αφορούν τρείς διαφορετικές διατάξεις αντιδραστήρων. Η διαδικασία επιτυγχάνεται μέσω της σύγκρισης των πειραματικών και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων που σχετίζονται με την δομή της ροής όταν αυτή αλληλεπιδρά με το ψυχρό πλάσμα και με τα μήκη του ορατού πλάσματος. Μέσω της σύγκρισης προσδιορίζεται και το μέτρο της ηλεκτροϋδροδυναμικής δύναμης. Επιπλέον, μελετάται η δυνατότητα να βρεθούν οι πιθανοί σύνδεσμοι μεταξύ των κύριων παραμέτρων του συστήματος, οι οποίοι θα μπορέσουν να φανούν χρήσιμοι για μελλοντική ανάπτυξη βελτιωμένων αντιδραστήρων ψυχρού πλάσματος.
Τα υπολογιστικά αποτελέσματα αρχικά δείχνουν την ικανοποιητική ακρίβεια του μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης. Στη συνέχεια, αναδεικνύουν πως η αρχική παραγόμενη ηλεκτροϋδροδυναμική δύναμη είναι ανεξάρτητη από την παροχή της ροής, αντιστρόφως ανάλογη με την διάμετρο του διηλεκτρικού σωλήνα ενώ δεν παρουσιάζει άμεση σχέση με την εφαρμοζόμενη τάση στον αντιδραστήρα. Μέσω της ανάλυσης συζητείται και υιοθετείται το κριτήριο για τον τερματισμό της διάδοσης του ψυχρού πλάσματος, λαμβάνοντας υπόψη τόσο την φυσική που διέπει τον ιονισμό του αερίου όσο και την επίδραση του ρευστού σε αυτή. Επιπλέον, παρατηρείται πως το χωρικό εύρος στο οποίο εφαρμόζεται η δύναμη, επιδρά σημαντικά τόσο στα χαρακτηριστικά της ροής, όσο και στο μέτρο της ίδιας της δύναμης. Εν κατακλείδι, μέσω των συμπερασμάτων της συγκεκριμένης εργασίας αναδεικνύονται οι μελλοντικοί στόχοι και μια πιθανή κατεύθυνση για νέα μαθηματικά μοντέλα.
Description
Keywords
Πίδακας ψυχρού πλάσματος, Υπολογιστικό μοντέλο