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Simulação direta de Monte Carlo de ondas de choque com base em potenciais ab initio para gases monoatômicos
Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/1884/66486
Registro completo de metadados
| Metadados | Descrição | Idioma |
|---|---|---|
| Autor(es): dc.contributor | Sharipov, Felix, 1959- | - |
| Autor(es): dc.contributor | Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em Física | - |
| Autor(es): dc.creator | Dias, Fernanda Coff, 1988- | - |
| Data de aceite: dc.date.accessioned | 2020-09-24T17:21:41Z | - |
| Data de disponibilização: dc.date.available | 2020-09-24T17:21:41Z | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020-04-15 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020-04-15 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2019 | - |
| Fonte completa do material: dc.identifier | https://hdl.handle.net/1884/66486 | - |
| Fonte: dc.identifier.uri | http://educapes.capes.gov.br/handle/1884/66486 | - |
| Descrição: dc.description | Orientador: Prof. Dr. Felix Sharipov | - |
| Descrição: dc.description | Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa : Curitiba, 13/02/2020 | - |
| Descrição: dc.description | Inclui referências: p. 143-155 | - |
| Descrição: dc.description | Resumo: Neste trabalho, ondas de choque planas propagando-se atraves de gases monoatomicos foram estudadas por meio da simulacao direta de Monte Carlo (DSMC, sigla em ingles para Direct Simulation Monte Carlo) com o uso de potenciais ab initio, aplicando-se as teorias classica e quantica nas colisoes intermoleculares. As misturas binarias dos gases He e Ar para uma temperatura de equilibrio do escoamento antes da onda de choque de 300K foram estudadas atraves do uso das colisoes classicas. Diversos valores de numeros de Mach e de fracoes molares dos gases foram considerados. Foram estudadas as distribuicoes de densidade, temperatura, fracao molar, velocidade de difusao, tensor pressao e fluxo de calor dentro das ondas de choque. O fenomeno conhecido por overshoot de temperatura foi analisado em detalhes. As inclinacoes das curvas de densidade e temperatura foram calculadas e os resultados comparados aos resultados para gases unicos, assim como com os resultados experimentais e teoricos da literatura. Foi verificado que as inclinacoes das curvas de densidade das misturas sao sempre menores do que nos gases unicos. Ondas de choque atraves dos isotopos 3He e 4He e do Ne foram estudadas considerando-se o processo de espalhamento quantico entre as particulas do gas. A aproximacao quantica permite o estudo de ondas de choque em um amplo intervalo de temperaturas de equilibrio do escoamento antes da onda de choque. Os calculos foram realizados para os numeros de Mach 2, 5 e 10 e diferentes temperaturas no intervalo de 1 a 5000K. Para temperaturas altas, a aproximacao quantica exige menor esforco computacional do que a aproximacao classica. Nao foi detectada influencia de efeitos quanticos dentro do erro numerico para temperaturas iguais ou maiores do que 300K. Para temperaturas menores, a influencia dos efeitos quanticos no He excede o erro numerico e atinge 67% para a temperatura de 1K. No caso do Ne, os efeitos quanticos nao ultrapassaram 2% em todo o intervalo de temperatura considerado neste trabalho. A analise comparativa de escoamentos com ondas de choque em diversas temperaturas indica que ha uma forte influencia da temperatura do escoamento antes da onda de choque na sua estrutura interna. As estruturas de ondas de choque planas atraves do Ar, Xe e Kr foram calculadas atraves da simulacao direta de Monte Carlo para os numeros de Mach 2, 5 e 10 e temperaturas do escoamento antes da onda de choque entre 50K e 8000K, dependendo do gas e do numero de Mach. Os calculos foram realizados considerando-se interacoes intermoleculares quanticas e classicas com o uso dos potenciais ab initio. As distribuicoes de densidade e temperatura na onda de choque foram obtidas. Foi avaliada a dependencia das inclinacoes dos perfis de densidade com a temperatura do escoamento antes da onda de choque. Foi demonstrado que o comportamento das inclinacoes dos gases pesados e qualitativamente similar, mas e completamente diferente das inclinacoes obtidas para o He. As inclinacoes dos perfis de densidade foram calculadas como funcao da temperatura do escoamento antes da onda de choque e do numero de Mach com erro numerico inferior a 0, 5%. Palavras-chave: Simulacao direta de Monte Carlo. Ondas de choque. Gases monoatomicos. Potenciais ab initio. Espalhamento quantico. | - |
| Descrição: dc.description | Abstract: In the present work, shock waves propagating through monatomic gases were modelled by the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method based on ab initio potentials, applying both classic and quantum theories to elastic collisions. The binary mixtures of He and Ar, for a supersonic uniform flow at 300K, were studied based on classic collisions. Various values of the Mach number and of the molar fractions were considered. The density, temperature, molar fraction, diffusion velocity, pressure tensor and heat flow profiles inside of the shock wave were calculated. The temperature overshoot phenomenon was discussed in detail. The slopes of density and temperature were calculated and the results were compared to single gases results, as well as with experimental and theoretical results from the literature. It was pointed out that the slopes for mixture are always smaller than those for a single gas. Shock waves through the isotopes 3He and 4He and through Ne were studied by means of the quantum scattering between particles. The quantum approach allows us to do the calculations over a wide supersonic temperature range. The calculations were carried out for the Mach numbers 2, 5 and 10 and different temperatures in the range from 1 to 5000K. For high temperatures, the quantum approach requires less computational effort than the classical one. No influence of the quantum effects were detected within the numerical error for the temperature 300K and higher. For lower temperatures, the influence of the quantum effects in He exceeds the numerical error and reaches 67% at the temperature of 1K. In case of Ne, the quantum effect does not exceed 2% in the whole temperature range considered in the present work. A comparative analysis of flow-fields in shock waves at various temperatures points out a strong influence of the supersonic temperature ahead a shock wave on its structure. The structures of planar shock waves propagating through Ar, Xe and Kr were calculated using the direct simulation Monte Carlo method for Mach numbers 2, 5 and 10 and upstream temperatures from 50K to 8000K, depending on the gas species and Mach number. Both quantum and classical approaches to the intermolecular interaction collisions based on ab initio potentials were used. The distributions of density and temperature inside the shock wave were reported. The dependence of the density slopes on the upstream temperature was studied. It was shown that the slope behaviour for heavy gases is qualitatively similar to each other, but they are completely different from that for He. The density slopes were calculated as a function of the upstream temperature and Mach number with the numerical error less than 0.5%. Key-words: Direct simulation Monte Carlo. Shock waves. Monatomic gases. Ab initio potentials. Quantum scattering. | - |
| Formato: dc.format | 173 p. : il. | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Ondas de choque | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Metodo de Monte Carlo | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Espalhamento (Fisica) | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Física | - |
| Título: dc.title | Simulação direta de Monte Carlo de ondas de choque com base em potenciais ab initio para gases monoatômicos | - |
| Aparece nas coleções: | Repositório Institucional - Rede Paraná Acervo | |
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