Dokument: Entwicklung und Anwendung eines Tree-Codes in Simulationsszenarios der Plasma-Wand-Wechselwirkung

Titel:	Entwicklung und Anwendung eines Tree-Codes in Simulationsszenarios der Plasma-Wand-Wechselwirkung
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20759
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120321-111928-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Berberich, Benjamin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.03.2012 / geändert 15.03.2012
Beitragende:	Prof. Dr. Reiter, Detlev [Gutachter] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Physikalische Prozesse in der Plasmarandschicht moderner Fusionsanlagen laufen oftmals auf ausgedehnten Längen- und Zeitskalen ab. Auch wird durch aktuelle Neuerungen in diesem Bereich, wie etwa stochastisierte Magnetfelder, die Notwendigkeit drei dimensionaler, vollkinetischer Modelle immer offensichtlicher. Für diese Zone angepasste Simulations-Codes nutzen bisher oft ad hoc Annahmen oder Näherungen um diese mikroskopischen Abl¨aufe in makroskopische Berechnungen miteinzubeziehen. Um entsprechend getroffene Aussagen weiter zu präzisieren, ist es daher erstrebenswert, diese a priori gewählten Eingabeparameter sukzessive durch Resultate von ab initio Simulationen zu ersetzen. Eine mögliche Programmklasse, die das leisten könnte, ist in der Familie der gitterfreien Methoden zur Berechnung des selbstkonsistenten elektrischen Feldes zu sehen. Vertreter dieser Gruppe sind unter anderem die sogenannten Tree-Codes (Baumalgorithmen). Diese versprechen durch ihre geometrische Flexibilit, intrinsisches Einbeziehen von Coulomb-St¨oßen und hohes Auflösungsvermögen ein weites Anwendungsgebiet im Bereich der Simulation von Plasmarandschichtphänomenen. Aus diesen Gründen ist es das erklärte Ziel der vorliegenden Arbeit, den massiv parallelen Tree- Code PEPC-B (Pretty Efficient Parallel Coulomb solver) zu einem Simulationswerkzeug für die Fusionsforschung weiterzuentwickeln. Nachdem ein detaillierter Überblick über die grundlegende Funktionsweise von Tree-Codes gegeben wurde, wird besonderer Wert auf zwei prinzipielle Entwicklungszweige gelegt. Anfänglich wird der Leap-Frog-Boris-Solver und seine numerischen Beschränkungen eingehend diskutiert. Um diese Limitierungen aufzuheben wurde die Methode zu einem neuen Führungszentrumsintegrator erweitert. Im Zuge einer detaillierten Verifikation des Algorithmus wird erfolgreich untersucht, wie das entwickelte Verfahren mit hoher Zeitstabilität Führungszentren geladener Teilchen wiedergibt. Der andere Hauptschwerpunkt des vorliegenden Berichts stellt die Entwicklung eines neuen Wandmodells f¨ur Tree-Codes dar. Da für diese inhärente Schwäche gitterfreier Methoden bisher noch keine eindeutige Lösung existiert, ist eine entsprechende Erarbeitung für den geplanten Einsatz von PEPC-B in der Simulation des Plasma-Wand Kontaktbereich unerlässlich. Eine erfolgreiche Verifikation des neuen ”Wandteilchen-Konzepts“ gelingt dann anhand eines quasi eindimensionales Schichtproblems. Nach dieser prinzipiellen Überprüfung die sowohl anhand von Flüssigkeitsnäherungen als auch kinetischer Vergleichswerte geschieht wird eine weite Bandbreite von physikalischen Simulationsszenarios untersucht. Explizit werden dabei Ionengeschwindigkeitsstatistiken an der Schichtkante mittels PEPC-B erzeugt. Die somit erzielten Resultate stimmen dabei gut mit vergleichbaren, semianalytischen Arbeiten überein. Das Konzept wird nun auf Simulationen mit zur Oberflächennormalen gedrehten magnetischen Feldern erweitert. Hierbei kommt erstmals der zuvor entwickelte Führungszentrumsintegrator zum Einsatz. Die Resultate über die magnetische Vorschicht werden mit früheren theoretischen sowie numerischen Arbeiten abgeglichen wobei sich gute Übereinstimmung nachweisen lässt. Daraufhin wird eine St¨arke des Tree-Codes ausgenutzt und intrinsisch Coulomb-stößige Systeme untersucht. Außerdem wird mittels eines neuen Monte-Carlo Moduls Neutralgashintergrundreibung in die Untersuchungen miteinbezogen und ausgewertet. Beide letzteren Szenarios belegen nun erstmals durch direkte kinetische Simulationen, dass sich an der eigentlichen Schichtphysik (z.B. Potentialabfall in der Schicht) durch Viskosität beziehungsweise Reibung keine signifikanten Änderungen einstellen. Processes in the plasma edge layer of magnetic fusion devices occur on widely disparate lengthand time-scales. Also recently developed features in this particular region, such as stochastic magnetic fields, underline the necessity for three dimensional, full-kinetic simulation tools. Contemporary programs often deploy ad hoc assumptions and approximations for microscopic phenomena for which self-consistent ab initio models in principle exist, but are still computationally too expensive or complex to implement. Recently, mesh-free methods have matured into a new class of tools for such first-principles computations which thanks to their geometric flexibility are highly promising for tackling complicated TOKAMAK regions. In this work we have develop the massively parallel Tree-Code PEPC-B (Pretty Efficient Parallel Coulomb solver) into a new tool for plasma material interaction studies. After a brief overview of the working principles of Tree-Codes two main topic groups are addressed: First the leap-frog Boris integration scheme is discussed and its numerical limitations are pointed out. To overcome these limitations the method is enhanced to a guiding-center integrator. As a proof of principal, numerical experiments are conducted reproducing the anticipated drift kinetic aspects of particle orbits. It turns out that this new technique is much less sensitive to large time steps than the original concept was. One major drawback of mesh-free methods which hinders their direct use for plasma-edge simulations is the difficulty in representing solid structures and associated boundary conditions. Therefore, an alternative concept is proposed using charge carrying Wall-Particles, which fits naturally in the mesh-free doctrine. These developments incorporate the second main topic group of this report. To prove the physical correctness of this new idea, a quasi one dimensional plasma-wall interface scenario is chosen. By studying the system with great detail, good agreement between numerical findings and semi-analytical results from the literature is achieved. After that verification a broad set of physical parameters are reviewed and corresponding scenarios evaluated. Explicitly the work focuses on the ion kinetics at the sheath edge. Numerical findings in that particular region compare well to established benchmarks in the collisionless limit. Furthermore results with rotated magnetic fields are presented. In the underlying simulations the newly developed guiding-center integrator is applied. Dedicated comparisons of the findings show good agreement with former theoretical and numerical approaches. A significant strength of the self-consistent mesh-free concept is its natural capability for including close range Coulomb interactions among charged particles. In this way it is possible, to consider intrinsically collisional scenarios such as the effect of ion-ion collisions on the presheath. Additionally a new developed Monte-Carlo background-scatter-scheme is utilized to introduce charge-exchange collisions into the presheath kinetics of the ions. These last two analyses show little change in sheath-relevant quantities. So the presented results support the widely held view that a viscosity or collisional dominated presheath has little effect on the sheath itself.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	21.03.2012
Dateien geändert am:	21.03.2012
Promotionsantrag am:	07.09.2011
Datum der Promotion:	28.10.2011