Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains

The development and application of the high-order accurate finite element Discontinuous Galerkin method (DG) for the numerical solution of three-dimensional compressible fluid flows, electromagnetic fields, and the flow of fully or partially ionized gases under the influence of electromagnetic fiel...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Πανουργιάς, Κωνσταντίνος
Άλλοι συγγραφείς: Αικατερινάρης, Ιωάννης
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2016
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/9093
id nemertes-10889-9093
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Discontinuous Galerkin method
High-order accurate numerical methods
Finite elements
High-speed compressible flows
Electromagnetic fields
Ionized gas flows
530.444
Ασυνεχής μέθοδος Galerkin
Υψηλής τάξης ακρίβειας αριθμητικές μέθοδοι
Πεπερασμένα στοιχεία
Υψηλών ταχυτήτων συμπιεστές ροές
Ηλεκτρομαγνητικά πεδία
Ροές ιονισμένων αερίων
spellingShingle Discontinuous Galerkin method
High-order accurate numerical methods
Finite elements
High-speed compressible flows
Electromagnetic fields
Ionized gas flows
530.444
Ασυνεχής μέθοδος Galerkin
Υψηλής τάξης ακρίβειας αριθμητικές μέθοδοι
Πεπερασμένα στοιχεία
Υψηλών ταχυτήτων συμπιεστές ροές
Ηλεκτρομαγνητικά πεδία
Ροές ιονισμένων αερίων
Πανουργιάς, Κωνσταντίνος
Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
description The development and application of the high-order accurate finite element Discontinuous Galerkin method (DG) for the numerical solution of three-dimensional compressible fluid flows, electromagnetic fields, and the flow of fully or partially ionized gases under the influence of electromagnetic fields is pursued. The DG method is used for the spatial discretization of the Euler/Navier-Stokes and the full Maxwell’s equations, and subsequently, the gas-dynamics and electrodynamics equations are coupled through the source terms for the solution of plasma flows. As opposed to the classic magnetohydrodynamic theory (MHD), where the displacement current is ignored, the proposed coupling approach allows imposed time-varying electrical fields in the solution domain and the computation of the induced electrical fields. The discrete coupled system of equations is solved numerically first for fully ionized gas flows to validate the method and then for partially ionized gas flows. The unsteady Euler and Navier-Stokes equations are solved for subsonic, transonic and supersonic flows at high Mach numbers, using second and higher-order solution approximations. For advancing the solution in time, high-order explicit and diagonally implicit Runge-Kutta (RK ) schemes are used. New approaches well-suited for shock and contact discontinuity capturing in three-dimensional flows and mixed type meshes have been developed. Elements in the physical space are transformed into the standard cubical element of the computational space, where the TVB limiting procedure is performed for all the element types in a unified manner. Better resolution of the flow structures of interest was achieved by using h- and p- adaptive techniques for the local adaptive mesh refinement and increase of solution approximation, respectively. It was found that the use of the proposed TVB limiter in conjunction with the adaptive mesh refinement at regions with solution discontinuities constitutes a quite efficient and highly accurate approach to solve three-dimensional compressible flows at high Mach numbers. In the same spirit a dissipative filter for discontinuity capturing has been developed.Validation of the discretization method and shock-capturing approaches has been carried out. The full Maxwell’s equations are also solved numerically with the DG method. Three-dimensional divergence-free vector bases were constructed and tested for approximating the magnetic vector field in order to satisfy the divergence constraint for the magnetic field. It was verified that the divergence-free bases ensure divergence-free solution in the interior of the elements whereas the solution jumps accross the element interfaces cause errors to the divergence-free condition of the magnetic field that diminish with the order of expansion. Furthermore, the perfectly hyperbolic Maxwell’s equations formulation was employed to ensure preservation of the constraints for the magnetic and electric field. In addition, the so-called Perfectly Matched Layers (PML), widely used in the finite differences, have been adapted to the DG framework for the representation of the radiation condition and elimination of reflections at the boundaries of the solution domain. Validation of the method for the electromagnetic field has been carried out. These developments led to the fulfillment of the final aim of this thesis in achieving high-order accurate, three-dimensional simulations with the DG method of fully or partially ionized gas flows under the influence of electromagnetic fields. It was found that the coupled system including nonlinear and stiff source terms of the gas-dynamics/electrodynamics equations must be advanced simultaneously in an implicit fashion. Implicit time marching is used for the fully coupled system to avoid wrong wave shapes and propagation speeds that are obtained when the coupling source terms are lagged in time or by using splitting iterative schemes. Validation of fully ionized gas flow simulations was carried out, using benchmark problems. A two-temperature model for the partially ionized gas flows consisting of three different species (electrons, positive ions and neutral particles) was used. All the required transport properties for such flows were computed by the use of relations of statistical mechanics. It was found that the partially ionized gas formulation converges to the fully ionized gas formulation as the degree of ionization increases. Application of the partially ionized gas formulation is shown for control of supersonic flow shock standoff distance with electromagnetic field.
author2 Αικατερινάρης, Ιωάννης
author_facet Αικατερινάρης, Ιωάννης
Πανουργιάς, Κωνσταντίνος
format Thesis
author Πανουργιάς, Κωνσταντίνος
author_sort Πανουργιάς, Κωνσταντίνος
title Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
title_short Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
title_full Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
title_fullStr Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
title_full_unstemmed Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
title_sort development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains
publishDate 2016
url http://hdl.handle.net/10889/9093
work_keys_str_mv AT panourgiaskōnstantinos developmentandapplicationofhighordernumericalmethodsforcompressibleplasmaflowsincomplexdomains
AT panourgiaskōnstantinos anaptyxēkaiepharmogēmethodōnmegalēstaxēsakribeiasgiatēnprosomoiōsēionismenōnaeriōnypotēnepēreiaēlektromagnētikoupediou
_version_ 1799945009911300096
spelling nemertes-10889-90932022-09-06T05:13:29Z Development and application of high order numerical methods for compressible plasma flows in complex domains Ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων μεγάλης τάξης ακρίβειας για την προσομοίωση ιονισμένων αερίων υπό την επήρεια ηλεκτρομαγνητικού πεδίου Πανουργιάς, Κωνσταντίνος Αικατερινάρης, Ιωάννης Panourgias, Konstantinos Αικατερινάρης, Ιωάννης Καλλιντέρης, Ιωάννης Βαλουγεώργης, Δημήτριος Δήμας, Αθανάσιος Τσαμόπουλος, Ιωάννης Γαλλόπουλος, Ευστράτιος Πανίδης, Θρασύβουλος Discontinuous Galerkin method High-order accurate numerical methods Finite elements High-speed compressible flows Electromagnetic fields Ionized gas flows 530.444 Ασυνεχής μέθοδος Galerkin Υψηλής τάξης ακρίβειας αριθμητικές μέθοδοι Πεπερασμένα στοιχεία Υψηλών ταχυτήτων συμπιεστές ροές Ηλεκτρομαγνητικά πεδία Ροές ιονισμένων αερίων The development and application of the high-order accurate finite element Discontinuous Galerkin method (DG) for the numerical solution of three-dimensional compressible fluid flows, electromagnetic fields, and the flow of fully or partially ionized gases under the influence of electromagnetic fields is pursued. The DG method is used for the spatial discretization of the Euler/Navier-Stokes and the full Maxwell’s equations, and subsequently, the gas-dynamics and electrodynamics equations are coupled through the source terms for the solution of plasma flows. As opposed to the classic magnetohydrodynamic theory (MHD), where the displacement current is ignored, the proposed coupling approach allows imposed time-varying electrical fields in the solution domain and the computation of the induced electrical fields. The discrete coupled system of equations is solved numerically first for fully ionized gas flows to validate the method and then for partially ionized gas flows. The unsteady Euler and Navier-Stokes equations are solved for subsonic, transonic and supersonic flows at high Mach numbers, using second and higher-order solution approximations. For advancing the solution in time, high-order explicit and diagonally implicit Runge-Kutta (RK ) schemes are used. New approaches well-suited for shock and contact discontinuity capturing in three-dimensional flows and mixed type meshes have been developed. Elements in the physical space are transformed into the standard cubical element of the computational space, where the TVB limiting procedure is performed for all the element types in a unified manner. Better resolution of the flow structures of interest was achieved by using h- and p- adaptive techniques for the local adaptive mesh refinement and increase of solution approximation, respectively. It was found that the use of the proposed TVB limiter in conjunction with the adaptive mesh refinement at regions with solution discontinuities constitutes a quite efficient and highly accurate approach to solve three-dimensional compressible flows at high Mach numbers. In the same spirit a dissipative filter for discontinuity capturing has been developed.Validation of the discretization method and shock-capturing approaches has been carried out. The full Maxwell’s equations are also solved numerically with the DG method. Three-dimensional divergence-free vector bases were constructed and tested for approximating the magnetic vector field in order to satisfy the divergence constraint for the magnetic field. It was verified that the divergence-free bases ensure divergence-free solution in the interior of the elements whereas the solution jumps accross the element interfaces cause errors to the divergence-free condition of the magnetic field that diminish with the order of expansion. Furthermore, the perfectly hyperbolic Maxwell’s equations formulation was employed to ensure preservation of the constraints for the magnetic and electric field. In addition, the so-called Perfectly Matched Layers (PML), widely used in the finite differences, have been adapted to the DG framework for the representation of the radiation condition and elimination of reflections at the boundaries of the solution domain. Validation of the method for the electromagnetic field has been carried out. These developments led to the fulfillment of the final aim of this thesis in achieving high-order accurate, three-dimensional simulations with the DG method of fully or partially ionized gas flows under the influence of electromagnetic fields. It was found that the coupled system including nonlinear and stiff source terms of the gas-dynamics/electrodynamics equations must be advanced simultaneously in an implicit fashion. Implicit time marching is used for the fully coupled system to avoid wrong wave shapes and propagation speeds that are obtained when the coupling source terms are lagged in time or by using splitting iterative schemes. Validation of fully ionized gas flow simulations was carried out, using benchmark problems. A two-temperature model for the partially ionized gas flows consisting of three different species (electrons, positive ions and neutral particles) was used. All the required transport properties for such flows were computed by the use of relations of statistical mechanics. It was found that the partially ionized gas formulation converges to the fully ionized gas formulation as the degree of ionization increases. Application of the partially ionized gas formulation is shown for control of supersonic flow shock standoff distance with electromagnetic field. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή μεθόδων υψηλής τάξης ακρίβειας για την αριθμητική επίλυση των διαφορικών εξισώσεων, που περιγράφουν την ροή, πλήρως ή μερικώς, ιονισμένων συμπιεστών αερίων σε τρισδιάστατες γεωμετρίες, υπό την επίδραση ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Η ασυνεχής μέθοδος Galerkin (DG) πεπερασμένων στοιχείων, εφαρμόζεται για την χωρική διακριτοποίηση των εξισώσεων ροής (Euler/Navier-Stokes equations) και των πλήρων εξισώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (Maxwell’s equations). Σύζευξη των παραπάνω εξισώσεων πραγματοποιείται χωρίς να εφαρμόζονται απλουστεύσεις, όπως η περίπτωση των αμελητέων επαγόμενων ηλεκτρικών ρευμάτων, που υιοθετεί η κλασσική μαγνητο-υδροδυναμική θεωρία (MHD) και επιλύονται αριθμητικά ροές πλήρως ή μερικώς, ιονισμένων αερίων υπό την επήρεια μεταβαλλόμενων μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων. Για την επίλυση των χρονικά μεταβαλλόμενων ροϊκών και ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, εφαρμόστηκαν υψηλής τάξης ρητά (explicit) και πεπλεγμένα (implicit) Runge-Kutta (RK ), χρονικά, αριθμητικά σχήματα. Τα τελευταία έδωσαν την δυνατότητα χρησιμοποίησης μεγάλων χρονικών βημάτων, με αποτέλεσμα την μείωση του συνολικού χρόνου επίλυσης. Χρησιμοποιώντας δεύτερης και μεγαλύτερης τάξης προσεγγίσεις, επιλύθηκαν οι Euler και Navier-Stokes εξισώσεις για υποηχητικές, διηχητικές και υπερηχητικές ροές σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Σε υπερηχητικές ή διηχητικές ταχύτητες η συμπιεστή ροή παρουσιάζει έντονες ασυνέχειες, όπως ειναι τα κρουστικά κύματα και οι ασυνέχειες επαφής. Για την αριθμητική επίλυση των ασυνεχειών αυτών αναπτύχθηκε καινούργια τεχνική υπολογισμού ασυνεχειών (TVB Limiter), που εφαρμόζεται με έναν ενιαίο και καθολικό τρόπο σε όλους του τύπους των τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων (εξάεδρα, πρίσματα, τετράεδρα και πυραμίδες). Ο κανονικός υπολογιστικός χώρος (Computational space) χρησιμοποιείται για πρώτη φορά στην εφαρμογή της τεχνικής υπολογισμού ασυνεχειών σε τρείς διαστάσεις. Κάθε τύπος στοιχείου μετασχηματίζεται από τον φυσικό στον κανονικό υπολογιστικό χώρο, όπου εφαρμόζεται η τεχνική αυτή και εκτελούνται όλες οι αριθμητικές πράξεις (ολοκλήρωση, παραγώγιση κτλ.) που απαιτούνται για την επίλυση. Υψηλής ακρίβειας προσομοιώσεις ροών σε πολύπλοκες γεωμετρίες και μεγάλα πραγματικά προβλήματα, επιτεύχθηκαν με τη χρήση της ασυνεχούς μεθόδου Galerkin (κυρίως δεύτερης αλλά και τρίτης ή τέταρτης τάξης ακρίβειας) και κατάλληλων μη δομημένων αριθμητικών πλεγμάτων (τετράεδρα, πρίσματα), καθώς επίσης και υβριδικά πλέγματα (δομημένα εξαεδρικά πλέγματα κοντά σε τοιχώματα και αδόμητα τετραεδρικά ή πρισματικά σε περιοχές μη μεγάλου ενδιαφέροντος). Τέλος, τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής της δυναμικής πύκνωσης πλέγματος (h- adaptivity) και της χρήσης μεταβλητής τάξης ακρίβειας (p- adaptivity) σε περιοχές με ασυνέχειες ή μεγάλες μεταβολές της λύσης, εξετάστηκαν και εφαρμόστηκαν σε πολλές προσομοιώσεις. Επιπλέον, δείχτηκε ότι η χρήση του προτεινόμενου TVB Limiter σε συνδυασμό με την δυναμική πύκνωση πλέγματος σε τρισδιάστατα προβλήματα μειώνει το υπολογιστικό κόστος επίλυσης και αυξάνει την ανάλυση της λύσης, συγκρινόμενη με άλλες μεθόδους επίλυσης ασυνεχειών, που εμφανίζονται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε μια τεχνική που λειτουργεί ως φίλτρο, εισάγωντας στη αριθμητική λύση την απαραίτητη διάχυση προκειμένου να επιλυθούν οι ασυνέχειες που παρουσιάζονται στις συμπιεστές ροές. Για την επικύρωση και πιστοποίηση των προαναφερθέντων αριθμητικών σχημάτων και τεχνικών, πραγματοποιήθηκε η επίλυση ενός σημαντικού αριθμού δοκιμαστικών προβλημάτων συμπιεστής ροής. Για την επίλυση των επαγόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων σε ροές ιονισμένων αερίων, οι πλήρεις εξισώσεις Maxwell χρησιμοποιήθηκαν και διακριτοποιήθηκαν με την ασυνεχή μέθοδο Galerkin. ́Ενα απο τα σημαντικά χαρακτηριστικά αυτής της προσέγγισης είναι ότι για τον υπολογισμό των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων λαμβάνεται υπόψη το ρεύμα μετατόπισης (displacement current). ́Ετσι καθίσταται δυνατή η επιβολή και φυσικά η επίδραση στη ροή, ισχυρά μεταβαλλόμενων ηλεκτρικών πεδίων που έως τώρα στην κλασσική μαγνητο-υδροδυναμική θεωρία (MHD) δεν συμπεριλαμβανόντουσαν. Επίσης, για την επίλυση των εξισώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, αναπτύχθηκαν, για πρώτη φορά, τρισδιάστατες διανυσματικές βάσεις (συναρτήσεις μορφής) για την αναπαράσταση του διανύσματος του μαγνητικού πεδίου (Β), οι οποίες μηδενίζουν την απόκλιση του διανυσματικού μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό των στοιχείων. ́Εχοντας τον ίδιο σκοπό, δηλαδή την εκμηδένιση των αποκλίσεων του μαγνητικού αλλά και του ηλεκτρικού πεδίου, ειδικά σε περιπτώσεις συγκέντρωσης ηλεκτρικών φορτίων, η μετατροπή των ελλειπτικών εξισώσεων της αποκλισης του μαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου σε καθαρά υπερβολικές εξισώσεις μέσω πρόσθετων χρονικών όρων, οδηγεί στην δημιουργία και επίλυση των γνωστών ως perfectly hyperbolic Maxwell εξισώσεων. Τέλος, για την αναπαράσταση της συνθήκης εξόδου κυμάτων στα όρια των υπολογιστικών χωρίων και για να αποφευχθούν ανακλάσεις, η τεχνική των Perfectly Matched Layers (PML) υλοποιήθηκε και προσαρμόστηκε στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Εχοντας ως τελικό σκοπό την προσομοίωση ροών πλήρως ή μερικώς ιονισμένων αερίων (πλάσμα), μέσα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, απαιτήθηκε η σύζευξη (coupling) των εξισώσεων ροής (Navier-Stokes equations) και των εξισώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (Maxwell’s equations). Στην παρούσα διατριβή η σύζευξη των εξισώσεων επιτεύχθηκε με προσθήκη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης (Lorentz) και του έργου της, ως όροι πηγής, στις εξισώσεις διατήρησης της ορμής και της ενέργειας, αντίστοιχα. Με το ίδιο τρόπο, οι εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου δέχονται την επίδραση απο την ροή, μέσω του ολικού ρεύματος. Η συγκεκριμένη προσέγγιση της σύζευξης, σε αντίθεση με την σύζευξη της κλασσικής μαγνητο-υδροδυναμικής θεωρίας, προσφέρει την δυνατότητα επίλυσης προβλημάτων, στα οποία επιβάλλονται ισχυρά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά πεδία καθώς επίσης επιτρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα επαγόμενα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται. Η υψηλής τάξης ασυνεχής μέθοδος Galerkin που χρησιμοποιήθηκε για την χωρική διακριτοποίηση των συζευγμένων εξισώσεων σε συνδυασμό με τη χρήση πεπλεγμένων σχημάτων για την προώθηση τους στο χρόνο, καθιστά εφικτή την υψηλής ανάλυσης επίλυση συμπιεστών ροών ιονισμένων αεριών υπό την επήρεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων· προβλήματα τα οποία ενέχουν δυσκολίες στην αριθμητική επίλυση λόγω του ότι παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές στις χαρακτηριστικές ταχύτητες μετάδοσης της πληροφορίας (ταχύτητα ήχου και φωτός). Η προώθηση της λύσης, στο χρόνο, γίνεται με την ταυτόχρονη επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes και Maxwell, ως ένα ενιαίο σύστημα. Αξίζει να σημειωθεί ότι διαπιστώθηκε ότι, η χωριστή επίλυση αφενός των Navier-Stokes και αφετέρου των Maxwell εξισώσεων με χρήση των ηλεκτρομαγνητικών και ροϊκών μεγεθών, αντίστοιχα, από την προηγούμενη χρονική στιγμή, καταλήγει, σε λανθασμένες ταχύτητες μαγνητο-υδροδυναμικών κυμάτων και παραμορφωμένες ροϊκές δομές. Επιπλέον, για την προσομοίωση ροών μερικώς ιονισμένων αερίων, τα οποία θεωρήθηκε ότι αποτελούνται απο ηλεκτρόνια, θετικά ιόντα και ουδέτερα σωματίδια, χρησιμοποιήθηκε μοντέλο δύο θερμοκρασίων (ηλεκτρονίων-βαρέων σωματιδίων). Ο υπολογισμός, κυρίως των ταχυτήτων διάχυσης των συστατικών του αέριου μίγματος καθως επίσης και μερικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του μίγματος έγινε με χρήση της στατιστικής μηχανικής. Επικύρωση της μεθόδου DG για την αριθμητική επίλυση ροών ιονισμένων αερίων πραγματοποιήθηκε με μια σειρά δοκιμαστικών προβλημάτων. Διαπιστώθηκε ότι, η αριθμητική λύση, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση των μερικώς ιονισμένων αερίων, συγκλίνει στην MHD λύση πλήρως ιονισμένου αερίου με την αύξηση του βαθμού ιονισμού. Η μέθοδος εφαρμόστηκε για τον έλεγχο ωστικού κύματος με ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ροή μερικώς ιονισμένου αερίου σε υψηλή ταχύτητα. 2016-01-20T11:09:35Z 2016-01-20T11:09:35Z 2015-09-17 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9093 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf