Simulación Numérica de la Recolección de Corriente en una Sonda de Langmuir Cilíndrica

Abstract

En este artículo se presenta una adaptación del código Kilaps desarrollado originalmente en la Universidad Politécnica de Madrid. El objetivo del código es simular la dinámica de plasmas en las inmediaciones de una sonda de Langmuir cilíndrica cuyo potencial eléctrico es cambiado repentinamente desde cero hasta un valor finito. Las sondas de Langmuir son utilizadas para caracterizar las propiedades de plasmas y su adecuado modelado tanto teórico como numérico es de fundamental importancia para correlacionar las mediciones de una sonda con las propiedades del plasma. Dentro de las aplicaciones en ingeniería aeroespacial, los avances en teoría de sondas de Langmuir son utilizados en amarras espaciales electrodinámicas y en propulsores por plasma. El código desarrollado utiliza un algoritmo numérico de tipo Vlasov directo para propagar en el tiempo la ecuación de Vlasov dependiente del tiempo. Implementa fórmulas basadas en diferencias finitas para aproximar las derivadas de la función de distribución en el espacio físico y en el de velocidades, y la integración en el tiempo se lleva a cabo mediante un método de Runge-Kutta explícito. Como resultados se presentan diagramas de la variación de las propiedades del plasma en las inmediaciones de la sonda y de su evolución en el tiempo. Para justificar la resolución de las mallas usadas, se contrastan resultados obtenidos con mallas de distintos grados de refinamiento analizando la convergencia de la solución al refinar sucesivamente la malla. Complementariamente, se compara el desempeño de dos compiladores de Fortran ampliamente utilizados y se realiza un estudio de la escalabilidad del programa al ser ejecutado en múltiples procesadores en sistemas de memoria compartida. Además, se discuten algunas potenciales vías de optimización. Finalmente, se evalúan posibles líneas de acción para mejorar la exactitud de los resultados y extender la aplicabilidad del programa.