Mikro gaz akışlarının DSMC (doğrudan benzetim Monte Carlo) yöntemi ile çözümlenmesi
Analysis of micro gas flows with DSMC (direct simulation Monte Carlo) method
Yazar: NEVSAN ŞENGİL
Danışman: DOÇ. DR. FIRAT O. EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uzay Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Mikroelektromekanik sistemler = Microelectromechanical systems ; Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation

Özet:
Genelde seyreltik gaz akışlarında olduğu gibi yüksek Knudsen sayılarına sahip olan mikro ölçekli gaz akışlarını geleneksel sürekli ortam denklemleri ile incelemek uygun olmamaktadır. Mikro gaz akışları temellerini gazların kinetik teorisinden alan ve fiziksel bir model olan DSMC (Doğrudan Benzetim Monte Carlo) yöntemi kullanılarak çözümlenebilmektedir. Moleküler esaslı DSMC yöntemi hesaplama süresi göz önüne alındığında, pahalı bir yöntemdir. Bu çalışmada öncelikle DSMC yöntemi için geliştirilen yeni veri yapıları ve koordinat dönüşümleri ile DSMC yönteminin çözümleme süresinde tasarruf sağlanmıştır. Takiben daimi olmayan akışların DSMC yöntemi ile incelenmesi için molekül-hareketli duvar etkileşimi momentum esaslı olarak ve çarpışma zamanı göz önüne alınarak yeniden modellenmiştir. İlaveten DSMC yönteminde kullanılan hacim esaslı molekül rezervuarlarında yapılan bir değişiklik ile hem yöntemin doğruluğunda hem de hesaplama verimliliğinde artış sağlanmıştır. Bu çalışma sadece DSMC yöntemine sağlanan katkılarla sınırlı tutulmamıştır. Aynı zamanda hem önerilen yöntemlerin doğruluğu göstermek hem de ileride yapılacak çalışmalara bir temel oluşturması için yeni bir DSMC esaslı bir çözücü geliştirilmesi de amaçlanmıştır. Geliştirilen DSMC çözücüsü ile 2- ve 3-Boyutlu mikro gaz akışları incelenebilmektedir. Yine hesaplama zamanını kısaltmak için DSMC çözücüsüne çok işlemcili paralel mimarilerde de çalışabilme yeteneği kazandırılmıştır. Bölgelere ayırma yöntemi ile alt bölgelere ayrılan gaz akış alanında her bir alt bölge farklı bir işlemci tarafından çözümlenmekte ve alt bölgeler arası bilgi aktarımı MPI komutları ile sağlanmaktadır. Geliştirilen DSMC çözücüsünden elde edilen sonuçlar ile farklı DSMC çözücülerinden elde edilip literatürde yayınlanan sonuçların benzer oldukları görülmektedir.

Abstract:
Micro gas flows, which have relatively high Knudsen numbers like rarefied gases cannot be analyzed with classic continuum, based equations. Instead micro scale gas flows can be analyzed with DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) method, which is a physical model, based on the kinetic theory of gases. Taking into account the calculation time, molecular based DSMC method is an expensive method. In this study priority is given to shorten the calculation time by employing new data structures and coordinate transforms. Next, molecule-moving wall interaction is modeled taking into account the collision time and using momentum-based approach in unsteady flows. Additionally, volume generation molecule reservoirs used in DSMC method are modified to increase the correctness and calculation efficiency of the method. This work is not limited with contributions to DSMC method. At the same time developing a new DSMC based solver is aimed both to verify the solutions and to be a starting point for the future works. 2- and 3-Dimensional micro gas flows can be analyzed with this new solver. Additionally, to shorten the calculation time DSMC solver has the capability to run on the parallel working multi-processors environment. Gas flow area are divided to sub-zones using domain decomposition method and each sub-zone is analyzed with a different processor. Data transfers among processors are carried out with MPI commands. Results derived from this new DSMC solver are quite similar with the results published in literature coming from different DSMC solvers.