Nonlinear normal modes in mechanical systems: concept and computation with numerical continuation

The purpose of this Project is, first and foremost, to disclose the topic of nonlinear vibrations and oscillations in mechanical systems and, namely, nonlinear normal modes NNMs to a greater audience of researchers and technicians. To do so, first of all, the dynamical behavior and properties of nonlinear mechanical systems is outlined from the analysis of a pair of exemplary models with the harmonic balanced method. The conclusions drawn are contrasted with the Linear Vibration Theory. Then, it is argued how the nonlinear normal modes could, in spite of their limitations, predict the frequency response of a mechanical system. After discussing those introductory concepts, I present a Matlab package called 'NNMcont' developed by a group of researchers from the University of Liege. This package allows the analysis of nonlinear normal modes of vibration in a range of mechanical systems as extensions of the linear modes. This package relies on numerical methods and a 'continuation algorithm' for the computation of the nonlinear normal modes of a conservative mechanical system. In order to prove its functionality, a two degrees of freedom mechanical system with elastic nonlinearities is analized. This model comprises a mass suspended on a foundation by means of a spring-viscous damper mechanism -analogous to a very simplified model of most suspended structures and machines- that has attached a mass damper as a passive vibration control system. The results of the computation are displayed on frequency energy plots showing the NNMs branches along with modal curves and time-series plots for each normal mode. Finally, a critical analysis of the results obtained is carried out with an eye on devising what they can tell the researcher about the dynamical properties of the system.

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Adapting mode switches into the hierarchical scheduling

Mode switches are used to partition the system’s behavior into different modes to reduce the complexity of large embedded systems. Such systems operate in multiple modes in which each one corresponds to a specific application scenario; these are called Multi-Mode Systems (MMS). A different piece of software is normally executed for each mode. At any given time, the system can be in one of the predefined modes and then be switched to another as a result of a certain condition. A mode switch mechanism (or mode change protocol) is used to shift the system from one mode to another at run-time. In this thesis we have used a hierarchical scheduling framework to implement a multi-mode system called Multi-Mode Hierarchical Scheduling Framework (MMHSF). A two-level Hierarchical Scheduling Framework (HSF) has already been implemented in an open source real-time operating system, FreeRTOS, to support temporal isolation among real-time components. The main contribution of this thesis is the extension of the HSF featuring a multimode feature with an emphasis on making minimal changes in the underlying operating system (FreeRTOS) and its HSF implementation. Our implementation uses fixed-priority preemptive scheduling at both local and global scheduling levels and idling periodic servers. It also now supports different modes of the system which can be switched at run-time. Each subsystem and task exhibit different timing attributes according to mode, and upon a Mode Change Request (MCR) the task-set and timing interfaces of the entire system (including subsystems and tasks) undergo a change. A Mode Change Protocol specifies precisely how the system-mode will be changed. However, an application may not only need to change a mode but also a different mode change protocol semantic. For example, the mode change from normal to shutdown can allow all the tasks to be completed before the mode itself is changed, while changing a mode from normal to emergency may require aborting all tasks instantly. In our work, both the system mode and the mode change protocol can be changed at run-time. We have implemented three different mode change protocols to switch from one mode to another: the Suspend/resume protocol, the Abort protocol, and the Complete protocol. These protocols increase the flexibility of the system, allowing users to select the way they want to switch to a new mode. The implementation of MMHSF is tested and evaluated on an AVR-based 32 bit board EVK1100 with an AVR32UC3A0512 micro-controller. We have tested the behavior of each system mode and for each mode change protocol. We also provide the results for the performance measures of all mode change protocols in the thesis. RESUMEN Los conmutadores de modo son usados para particionar el comportamiento del sistema en diferentes modos, reduciendo así la complejidad de grandes sistemas empotrados. Estos sistemas tienen multiples modos de operación, cada uno de ellos correspondiente a distintos escenarios y para distintas aplicaciones; son llamados Sistemas Multimodales (o en inglés “Multi-Mode Systems” o MMS). Normalmente cada modo ejecuta una parte de código distinto. En un momento dado el sistema, que está en un modo concreto, puede ser cambiado a otro modo distinto como resultado de alguna condicion impuesta previamente. Los mecanismos de cambio de modo (o protocolos de cambio de modo) son usados para mover el sistema de un modo a otro durante el tiempo de ejecución. En este trabajo se ha usado un modelo de sistema operativo para implementar un sistema multimodo llamado MMHSF, siglas en inglés correspondientes a (Multi-Mode Hierarchical Scheduling Framework). Este sistema está basado en el HSF (Hierarchical Scheduling Framework), un modelo de sistema operativo con jerarquía de dos niveles, implementado en un sistema operativo en tiempo real de libre distribución llamado FreeRTOS, capaz de permitir el aislamiento temporal entre componentes. La principal contribución de este trabajo es la ampliación del HSF convirtiendolo en un sistema multimodo realizando los cambios mínimos necesarios sobre el sistema operativo FreeRTOS y la implementación ya existente del HSF. Esta implementación usa un sistema de planificación de prioridad fija para ambos niveles de jerarquía, ocupando el tiempo entre tareas con un “modo reposo”. Además el sistema es capaz de cambiar de un modo a otro en tiempo de ejecución. Cada subsistema y tarea son capaces de tener distintos atributos de tiempo (prioridad, periodo y tiempo de ejecución) en función del modo. Bajo una demanda de cambio de modo (Mode Change Request MCR) se puede variar el set de tareas en ejecución, así como los atributos de los servidores y las tareas. Un protocolo de cambio de modo espeficica precisamente cómo será cambiado el sistema de un modo a otro. Sin embargo una aplicación puede requerir no solo un cambio de modo, sino que lo haga de una forma especifica. Por ejemplo, el cambio de modo de “normal” a “apagado” puede permitir a las tareas en ejecución ser finalizadas antes de que se complete la transición, pero sin embargo el cambio de “normal” a “emergencia” puede requerir abortar todas las tareas instantaneamente. En este trabajo ambas características, tanto el modo como el protocolo de cambio, pueden ser cambiadas en tiempo de ejecución, pero deben ser previamente definidas por el desarrollador. Han sido definidos tres protocolos de cambios: el protocolo “suspender/continuar”, protocolo “abortar” y el protocolo “completar”. Estos protocolos incrementan la flexibilidad del sistema, permitiendo al usuario seleccionar de que forma quieren cambiar hacia el nuevo modo. La implementación del MMHSF ha sido testada y evaluada en una placa AVR EVK1100, con un micro-controlador AVR32UC3A0. Se ha comprobado el comportamiento de los distintos modos para los distintos protocolos, definidos previamente. Como resultado se proporcionan las medidades de rendimiento de los distintos protocolos de cambio de modo.