Kinetische Algorithmen für das Maxwell-Boltzmann-System und die Simulation von magnetosphärischen Raumfahrt-Antriebs-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas; Professor Dr. Claus-Dieter Munz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 215420141

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Weiterentwicklung des kombinierten Particle-in-Cell Direct Simulation Monte Carlo-Codes "PICLas" zur Simulation verdünnter, reaktiven Plasmaströmungen mit großen Skalenunterschieden und lokal starken Gradienten. Die anspruchsvollen Anwendungen sind hier die Simulation der Aufladung von Satelliten und des Konzepts eines magnetischen Segels. In der ersten Förderperiode wurden bisher Methoden entwickelt, um die Simulationsparameter möglichst effizient den physikalischen Erfordernissen anpassen zu können: Es wurde eine implizite Zeitintegration der elektromagnetischen Felder eingeführt, "Split & Merge"-Methoden für die adaptive Behandlung der Teilchen entwickelt und die DSMC-Methode mit einer neuartigen lokalen Octree -Nearest Neighbour Suche erweitert. Erste Teilsimulationen des magnetischen Segels wurden erfolgreich ausgeführt.In der zweiten Förderperiode soll die effiziente Anpassung der Diskretisierung an die physikalisch notwendige Auflösung erweitert werden: Bei der Partikelbehandlung wird für schnelle Partikel die Möglichkeit einer impliziten Zeitintegration geschaffen, die "Split & Merge"-Methode wird mit der Idee des variablen Partikelgewichtes auf die chemischen Reaktions- und Relaxationsmodelle erweitert und das Standardrelaxationsmodell innerer Freiheitsgrade der Partikel wird durch ein erweitertes Relaxationsmodell ersetzt. Großen Gradienten in den räumlichen Skalen wird eine Möglichkeit zur lokalen Gitterverfeinerung entgegengestellt. Hierzu wird das PIC-Modul um nicht-konforme Gitter erweitert, die eine Aufteilung von Zellen in dichten Regionen erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen