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Partikelbasierte Strömungssimulation

Gas- und Plasmaströmungen ausgehend von Einzelpartikeln hochpräzise und flexibel simulieren

Dr. Marcel Pfeiffer
PICLas

PICLas ist ein partikelbasiertes Simulationsverfahren, mit dessen Hilfe komplexe nicht-kontinuierliche Strömungen untersucht werden können. Ob es sich um mikrofluidische Medizintechnik, die Konstruktion windschnittiger Autos oder die Planung von Kernfusionsreaktoren handelt, in allen Bereichen spielen Strömungen von Flüssigkeiten, Gasen oder Plasmen eine entscheidende Rolle. Numerische, strömungsmechanische Simulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) sind für zahlreiche Entwicklungen elementar. In der Industrie und Wissenschaft haben sich zahlreiche Varianten zur Lösung von Kontinuumsströmungen etabliert. Diese Methoden erreichen jedoch ihre Grenze bei komplexen Strömungsphänomenen, wie sie etwa in stark verdünnten Gasen, im Vakuum oder unter dem Einfluss von elektromagnetischen Kräften auftreten. Das liegt daran, dass die Ansätze für Kontinuumsströmungen ausgelegt sind und dissipative Transportphänomene wie Viskosität, Massendiffusion und Wärmeleitung innerhalb der Strömungen nur ungenau berücksichtigen. Je komplexer die Strömungen werden desto elementarer werden die mikroskopischen Transportphänomene um Größen wie Reibung und Wärmeleitung zuverlässig zu erfassen. Hierfür werden mikroskopische Ansätze benötigt, bei denen das Gas durch die Bewegung der einzelnen Partikel modelliert werden kann. Hierbei müssen Kollisionen, elektromagnetische Wechselwirkungen und chemische Reaktionen für jedes einzelne Partikel kombiniert und berechnet werden was zu einem enormen Rechenaufwand führt.

Das Simulationswerkzeug PICLas ist ein Partikelverfahren zur flexiblen Berechnung von dreidimensionalen Gas- und Plasmaströmungen. PICLas ist ein gekoppeltes Verfahren, das sich aus einem Modul für Particle in Cell (PIC) und einem Modul für Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) zusammensetzt. Während das PIC-Modul die elektromagnetischen Wechselwirkungen der Partikel modelliert, bildet das DSMC-Modul die Kollisionen und die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen nach. Durch den modularen Aufbau von PICLas können die Methoden mühelos mit anderen Partikelverfahren gekoppelt werden, wodurch z. B. neuartige, partikel-basierte Kontinuumsmethoden entwickelt werden können. Damit können auch Strömungen mit großen Unterschieden in der lokalen Dichte effizient berechnet werden. Diese Kombination macht PICLas zu einer effizienten Lösung um Gas- und Plasamaströmungen ausgehend von Einzelpartikeln hochpräzise zu simulieren. Die Anwendung dieses neuartigen Simulationswerkzeuges wird durch parallele Rechenverfahren erstmals auch für industrielle Fragestellungen möglich.

Anwendungsmöglichkeiten

  • Erzeugung von elektromagnetischen Wellen durch Mikrowellen-Oszillatoren (Gyrotron) für die Anwendung in Kernfusionsreaktoren

  • Laser-Plasma-Interaktion für punktgenaue und homogene Oberflächenbehandlung

  • Hochenthalpe, verdünnte Strömungen bei atmosphärischen Wiedereintrittsmanövern

  • Ionisierte Plasmen unter Einfluss von elektromagnetischen Feldern in elektrischen Raumfahrtantrieben

  • Ausbildung eines Zündfunkens (Gasentladung) in einer Zündkerze

PICLas

Institut für Raumfahrtsysteme

Das Partikelverfahren PICLas wird von der Forschungsgruppe Numerische Modellierung und Simulation am Institut für Raumfahrtsysteme in Kooperation mit dem Institut für Aero- und Gasdynamik an der Universität Stuttgart entwickelt.

Ihr Ansprechpartner
Dr. Marcel Pfeiffer
Gruppenleiter, Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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