Özel akış problemlerinin moleküler dinamik simülasyonu ile incelenmesi

Abstract

Gelişen hesaplama kapasiteleriyle birlikte Moleküler Dinamik (MD) simülasyonları, mikro ve nano ölçekteki akış problemlerinin çözümünde giderek daha önemli bir araç haline gelmiştir. Geleneksel akışkanlar dinamiği yöntemleri, Navier-Stokes denklemleri gibi süreklilik varsayımlarına dayansa da bu yöntemler mikro ve nano ölçekteki sınır tabaka etkilerini ve moleküler düzeydeki karmaşık süreçleri tam olarak yansıtamayabilir. Sürekli ortam kabulü, kayma/kaymazlık sınır şartları, sabit akışkan özellikleri gibi varsayımlar, küçük ölçeklerde fiziksel gerçeklikten uzaklaşabilir. Bu bağlamda MD simülasyonları, moleküller arası çarpışmalar, enerji-momentum transferleri gibi atomik düzeydeki etkileşimleri modelleme yetenekleriyle öne çıkmaktadır. Bu tezde, MD simülasyonlarının mikro ve nano ölçekteki akış problemlerine uygulanabilirliği ayrıntılı olarak incelenmiştir. Çalışma, özellikle Couette ve Poiseuille akışları, şok tüpleri ve fırça keçesi sistemlerine odaklanmıştır. Couette ve Poiseuille akışları simülasyonları, farklı Knudsen ve Mach sayılarında gerçekleştirilmiş ve nano ölçekteki gaz dinamiği problemleri hakkında önemli veriler sunulmuştur. Bu süreçte, duvar hızları, sıcaklıklar ve basınç gradyanları gibi parametrelerin gazın moleküler düzeydeki davranışlarına etkileri analiz edilmiştir. Ayrıca, gaz moleküllerinin sıkıştırılabilirlik özellikleri dikkate alınarak, ses altı, transonik ve süpersonik rejimlerde kapsamlı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Şok tüplerine yönelik çalışmalarda ise, şok dalgalarının gazların dinamik ve termodinamik özelliklerine etkileri moleküler düzeyde incelenmiştir. Farklı gaz türleri, örneğin helyum ve argon, ile bunların karışımları için enerji ve yoğunluk profillerindeki değişimler değerlendirilmiştir. Bu analizlerde, gazların ses hızlarının ölçülmesi ve enerji aktarım mekanizmalarının teorik hesaplamalarla karşılaştırılması, MD simülasyonlarının bu sistemlerdeki gücünü ortaya koymuştur. Fırça keçesi sistemlerine yönelik incelemelerde, döner ve sabit bileşenler arasındaki sızıntıyı en aza indirmeyi hedefleyen bu elemanlar, moleküler seviyede analiz edilmiştir. Rotor hızlarının ve basınç farklarının moleküler yoğunluk, basınç ve enerji birikimi üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde değerlendirilmiş ve bu sistemlerin mühendislik uygulamalarında performansını artırmaya yönelik değerli bilgiler elde edilmiştir. Bu süreçte, MD simülasyonlarının paralelleştirilmesi için modern paralel hesaplama teknikleri kullanılmış ve bu sayede moleküler düzeydeki hesaplamaların hızını ve verimliliğini artırmada önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. 1.600 hücre ve 27 iş parçacığıyla yapılan çalışmalarda 4,85 hızlanma faktörü elde edilmiş, ancak hücre ve iş parçacığı sayılarındaki artışın veri transferini artırarak performansı sınırladığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle, optimum performansın sağlanması için parametrelerin dikkatlice dengelenmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışma, MD simülasyonlarının mikro ve nano ölçekteki akış problemlerini anlamadaki kritik rolünü ve hesaplama avantajlarını ortaya koymuştur. Simülasyonların, sınır tabaka etkileri ve moleküler düzeydeki karmaşık süreçler gibi geleneksel yöntemlerin ötesindeki problemlere çözüm sunduğu görülmüştür. Paralel hesaplama teknikleriyle verimlilik artışı sağlanmış ve bu yöntemlerin büyük ölçekli bilimsel simülasyonlarda etkili bir şekilde uygulanabileceği gösterilmiştir.As computational capabilities increase, Molecular Dynamics (MD) simulations have become a crucial tool in solving flow problems at micro and nano scales. While traditional fluid dynamics methods rely on continuum-based approaches such as the Navier-Stokes equations, these approaches often fail to accurately represent boundary layer effects and molecular-level processes at these scales. Assumptions such as the continuum hypothesis, slip/no-slip boundary conditions, isothermal models, and constant fluid properties may deviate from physical reality in small-scale systems. This thesis provides a comprehensive examination of the applicability of MD simulations to micro- and nanoscale flow problems, focusing on Couette and Poiseuille flows, shock tubes, and brush seal systems. In the simulations of Couette and Poiseuille flows, simulations were conducted across various Knudsen and Mach numbers, providing significant insights into nanoscale gas dynamics problems. Parameters such as wall velocities, temperatures, and pressure gradients were analyzed for their effects on the molecular behavior of gases. Additionally, compressibility effects of gas molecules were studied in subsonic, transonic, and supersonic regimes, offering a detailed assessment. In the studies on shock tubes, the effects of shock waves on the dynamic and thermodynamic properties of gases were investigated at the molecular level. Various gas types, such as helium and argon, and their mixtures were analyzed to evaluate changes in energy and density profiles. These studies demonstrated the power of MD simulations by comparing measured speeds of sound and energy transfer mechanisms with theoretical predictions. The examination of brush seal systems, which aim to minimize leakage between rotating and stationary components, involved molecular-level analyses. The effects of rotor speeds and pressure differences on molecular density, pressure, and energy accumulation were explored, yielding valuable insights for improving performance in engineering applications. Modern parallel computing techniques were employed to parallelize MD simulations, significantly enhancing the speed and efficiency of molecular-level computations. With 1,600 cells and 27 threads, a speedup factor of 4.85 was achieved. However, it was observed that increasing the number of cells and threads resulted in higher data transfer overhead, limiting performance. Consequently, the study concludes that careful balancing of parameters is essential for achieving optimal performance. This work highlights the critical role and computational advantages of MD simulations in understanding micro- and nanoscale flow dynamics. By providing solutions to problems beyond the reach of traditional methods, such as boundary layer effects and molecular-scale processes, MD simulations have proven to be a powerful tool. Furthermore, the use of parallel computing has demonstrated significant efficiency gains, showcasing the effectiveness of these methods in large-scale scientific simulations.