Μελέτη και εξομοίωση διαφόρων τύπων ηλεκτροδίων γείωσης με το Οpera-2d / Simulation of several grounding electrode types with Opera-2d

Ολοκληρώνοντας αυτή τη διπλωματική εργασία, συμπεραίνεται η σημασία του σωστού σχεδιασμού ενός μονωτήρα για την όσο το δυνατόν καλύτερη λειτουργία του. Επιβεβαιώθηκε πως η παρουσία των δίσκων επιδρούν θετικά σε αυτήν, ενώ, παράλληλα, επισημαίνεται η αρνητική επίδραση της επικάθισης, στην επιφάνεια του μονωτήρα, ενός αγώγιμου στρώματος ρύπανσης και γίνεται αντιληπτή η σημασία του σωστού και τακτικού καθαρισμού των μονωτήρων, ειδικά σε περιόδους όπου δεν εμφανίζονται έντονες βροχοπτώσεις. Τέλος, μελετώντας προσεκτικά την κατανομή της έντασης και του δυναμικού κατά το μήκος ερπυσμού των μονωτήρων, επισημαίνεται η προσοχή στις περιοχές της επιφάνειάς τους που αναμένεται να επιφέρουν δυσμενή αποτελέσματα στη λειτουργία τους. Από την ενδελεχή ανάλυση του διαγράμματος, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η παρουσία των πτυχώσεων στο κάτω μέρος ενός cap and pin μονωτήρα, βοηθά στη μείωση της έντασης κατά το μήκος ερπυσμού. Πραγματικά, λειτουργούν ανασχετικά στην ανάπτυξη ανεπιθύμητων μεγάλων τιμών της έντασης στο υπόλοιπο τμήμα του μονωτήρα. Διαπιστώθηκε ακόμη, ότι το άκρο του δίσκου είναι ένα σημείο ιδιαίτερα κρίσιμο, καθώς η ένταση εμφανίζει ασυνήθιστα υψηλή τιμή, σε σχέση, πάντα, με την απόσταση του άκρου από το φορτισμένο ηλεκτρόδιο. Επίσης, επισημαίνεται πώς ο προσεκτικός σχεδιασμός ενός cap and pin μονωτήρα συμβάλλει στην αποφυγή ιδιαίτερα υψηλών τιμών της έντασης. Σε αυτό, σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν οι πτυχώσεις στην κάτω επιφάνεια του μονωτήρα, αλλά και ο σωστός σχεδιασμός της μεταλλικής θήκης, καθώς πρόκειται για ένα αγώγιμο τμήμα που βρίσκεται εντός της αλυσίδας και ενδεχομένως να επηρεάσει αρνητικά τη συνολική διάταξη. Η εκτενής ενασχόλησή με το πρόγραμμα προσομοίωσης PC OPERA, ανέδειξε την αξιοπιστία και την ικανοποιητική λειτουργία του. Παράλληλα, όμως, επισημαίνονται ορισμένες ιδιαιτερότητες που παρατηρήθηκαν κατά το χειρισμό του. Αν και πρόκειται για δευτερεύουσας σημασίας παρατηρήσεις, πρέπει ωστόσο, να ληφθούν υπόψη από τους μελλοντικούς χρήστες του προγράμματος, με σκοπό να ελαχιστοποιηθεί ο χρόνος προσαρμογής τους στο περιβάλλον του. 1. Ο αριθμός των πεπερασμένων τριγωνικών στοιχείων στα οποία το πρόγραμμα υποδιαιρεί την υπό ανάλυση επιφάνεια ανέρχεται σε 20.000. Αν και ο αριθμός φαίνεται ικανοποιητικός, στην πραγματικότητα, ειδικά αν πρόκειται για πολύπλοκες διατάξεις, όπως, για παράδειγμα, η αλυσίδα των πέντε cap and pin μονωτήρων που σχεδιάστηκε και αναλύθηκε, δεν είναι πάντοτε επαρκής. Για αυτό και η σχεδίαση πρέπει να πραγματοποιείται με ιδιαίτερη προσοχή, ώστε να είναι λεπτομερής στις περιοχές αυξημένης σημασίας για το εκάστοτε μοντέλο και λιγότερο ακριβής σε περιοχές μικρότερης σημασίας. 2. Η εξωτερική περιοχή, που συνιστά τον ατμοσφαιρικό αέρα, πρέπει να είναι ικανοποιητικά μεγάλη. Σε διαφορετική περίπτωση, το δυναμικό της εξωτερικής επιφάνειας, που ορίζεται ίσο με μηδέν εκφράζοντας το άπειρο, θα επηρεάσει τη διάταξη, παρέχοντας ανακριβείς τιμές για τα υπό μελέτη χαρακτηριστικά μεγέθη της διάταξης. Επίσης, εφόσον η περιοχή του ατμοσφαιρικού αέρα που βρίσκεται αρκετά μακριά από τη διάταξη δεν είναι απαραίτητο να έχει μεγάλη ακρίβεια, θα ήταν ορθό να σχεδιαστούν επιπλέον περιοχές του αέρα κοντά στη διάταξη, που να παρέχουν αυξημένη ακρίβεια. 3. Ιδιαίτερα προσεκτικός οφείλει να είναι ο καθορισμός των διαφορετικών υλικών σε μια διάταξη. Εκτός από τον ορισμό ρεαλιστικής τιμής της αγωγιμότητάς τους (σ), είναι απαραίτητος και ο ανάλογος προσδιορισμός της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς (εr). Ορίζοντας μόνο το πρώτο μέγεθος, το πρόγραμμα δεν αντιλαμβάνεται το υλικό που θέλουμε να παραστήσει μία περιοχή. / Simulation of different types of insulators with Opera-2d.

This thesis discusses the development of MANGO, a tool created to model normal-conducting magnets which were installed in the 1970s in the experimental areas at CERN, and store their analysis. MANGO formulates an answer to two problems faced by the physicists of the Beam Department when they model a beam line: first, how to produce new magnetic field maps and, second, how to easily access existing ones? It contains a multi-use package that offers an automated process to produce magnetic field maps from finite-element models of magnets. In addition, the package can visualise the field density or the flux lines of a magnet, and can benchmark a model and automatically store the solutions in a database, while tailoring its content to the level of expertise in electromagnetism and finite-elements modelling of the users. To development of the tool starts by modelling the different types of the normal-conducting magnets using two-dimensional finite element modelling (Opera-2D). After the successful development of one finite element model, it is benchmarked to justify its use in the creation of magnetic field maps. To address the second challenge and avoid any duplication of work, MANGO integrates a Git repository with submodules, where the finite-element models, the magnetic field maps and the documentation are stored. / I detta examensarbete diskuteras utvecklingen av MANGO, ett verktyg som skapats för att modellera normalkonduktiva elektromagneter, som installerades på 1970-talet i CERN:s experimentområden, och lagra deras analys. Mer specifikt formulerar MANGO ett svar på två problem som fysiker vid Beam Department står inför när de modellerar en partikelstrållinje. Hur skapar man nya magnetfältskartor och, hur får man enkelt tillgång till nuvarande magnetfältskartor? Det innehåller ett programbibliotek med flera användningsområden, som skapar nya magnetfältskartor från nuvarande magnetmodeller, som skapas av programbibliotek självt. Med den programbibliotek kan man visualisera en magnets fältdensitet eller flödeslinjer, benchmarka modellen och automatiskt lagra magnetlösningar och numeriska simuleringar i databasen, utöver att modellera magneter, och samtidigt ge möjlghet för anpassning av innehållet till användarens kunskapsnivå och färdigheter. För att utveckla MANGO börjar författaren med att modellera de olika typerna av normalkonduktiva elektromagneter med hjälp av tvådimensionell finit elementmodellering (Opera-2D). Efter den framgångsrika utvecklingen av en finit elementmodell, fortsätter författaren med benchmarking av modell för att motivera dess användning inom skapandet av magnetfältskartor. För att besvara det andra problemet integrerar MANGO ett Git-databas där finita elementmodellerna, magnetfältskartorna och dokumentationen lagras, för att undvika dubbelarbete. Git databas har undermoduler för att kunna skapa olika åtkomster per användarnivå.