Kinetic Algorithms for the Maxwell-Boltzmann System and the Simulation of Magnetospheric Propulsion Systems

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas; Professor Dr. Claus-Dieter Munz
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2012 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 215420141

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung skalenübergreifender Simulationsmodelle für ein gekoppeltes Particle-in-Cell (PIC)- und Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Verfahren sowie die Eweiterung der genutzten physikalischen Modelle, um komplexe Nichtgleichgewichtsplasmen und -gase simulieren zu können. Ausgangspunkt war der existierende PICLas-Löser, in dem im PIC-Verfahren nur elektromagnetischen Felder - diese jedoch bereits implizit - behandelt werden konnten. Zusatzlich konnte mit einem adpativen Split-&Merge-Verfahren der Partikelgewichtungsfaktor an die lokal gegebenen Plasmabedingungen angepasst werden. Das PIC-Verfahren wurde um zwei implizite Zeitintegrationsverfahren erweitert. Mithilfe eines implizit-expliziten Newton-Ansatzes wird die Nichtlinearität berücksichtigt, während die linearisierten Zeitintegrationsverfahren nur die Lösung linearer Probleme benötigen. Die Verwendung gekrümmter, nicht-konformer Gitter erlaubt die Auflösung lokaler Gradienten bei einer Minimierung der benötigten Gitterzellen und gleichzeitig die Ausnutzung der hohen Ordnung des Discontinuous Galerkin-Verfahrens. Zusätzlich wurde ein Verfahren entwickelt (HDGSEM), welches das effiziente Lösen elektrostatischer Probleme auf HPC Systemen erlaubt und somit völlig neue Anwendungsgebiete fur PICLas erschließt. Das DSMC-Modul wurde um Relaxationsprozesse sowie chemische Reaktionen für komplexe, mehratomige Moleküle erweitert. Zusätzlich wurden verschiedene Relaxationsmodelle, mit Relaxationszeiten, die von den aktuellen Gasbedingungen abhängen, implementiert. Die Verwendung von variablen Gewichtungsfaktoren erlaubt die effiziente Simulation von zwei-dimensionalen, rotationssymetrischen Problemen, die in 3D nur unter enormen Rechenaufwand möglich wären. Die einzelnen neu entwickelten Verfahren wurden anhand verschiedender Testbeispiele verifiziert. Die lokale Gitterverfeinerung auf gekrümmten Gittern konnte anhand einer Wanderfeldröhre verifiziert und validiert werden. Die Relaxationsmodelle und die Chemie-Routinen wurden anhand von Wiedereintrittssimulationen verifiziert. Durch die Entwicklung der neuen Modelle konnte die benötigte Rechenzeit teilweise um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Durch das Projekt sind Simulationen zahlreicher komplexer physikalischer Probleme möglich geworden und die entwickelten Algorithmen werden in verschiedenen weiteren Projekten eingesetzt.

Publications

• (2019) Combining particle-in-cell and direct simulation Monte Carlo for the simulation of reactive plasma flows. Physics of Fluids 31 (7) 072006
  Fasoulas, S.; Munz, C.-D.; Pfeiffer, M.; Beyer, J.; Binder, T.; Copplestone, S.; Mirza, A.; Nizenkov, P.; Ortwein, P.; Reschke, W.
  
• A statistical particle merge and split method for Particle-In-Cell codes. Computer Physics Communications, 191:9–24, 2015
  Marcel Pfeiffer, Asim Mirza, Claus-Dieter Munz, and Stefanos Fasoulas
  
• Comparison of plasma plume expansion simulations using fully kinetic electron treatment and electron fluid models. AIP Conference Proceedings, 1786(1):130005, 2016
  M. Pfeiffer, S. Copplestone, T. Binder, S. Fasoulas, and C.-D. Munz
  
• Direct simulation Monte Carlo modeling of relaxation processes in polyatomic gases. Physics of Fluids, 28(2):027103, 2016
  Marcel Pfeiffer, Paul Nizenkov, Asim Mirza, and Stefanos Fasoulas
  
• Numerical investigation of the aerodynamics of the REX-Free Flyer in the rarefied gas regime. AIP Conference Proceedings, 1786:190005, 2016
  Paul Nizenkov, Peter Noeding, Martin Konopka, Bodo Reimann, and Stefanos Fasoulas
  
• Complex-frequency shifted pmls for maxwell’s equations with hyperbolic divergence cleaning and their application in particle-in-cell codes. IEEE Transactions on Plasma Science, 45(1):2–14, Jan 2017
  S. M. Copplestone, P. Ortwein, and C. Munz
  
• High-fidelity particle-in-cell simulations of ion thruster optics. In Proc. 35th Int. Electr. Propuls. Conf., pages 1–19, 2017
  Tilman Binder, Marcel Pfeiffer, Stefanos Fasoulas, and Hans Leiter
  
• Modeling of chemical reactions between polyatomic molecules for atmospheric entry simulations with direct simulation Monte Carlo. Physics of Fluids, 29(7):077104, 2017
  Paul Nizenkov, Marcel Pfeiffer, Asim Mirza, and Stefanos Fasoulas
  
• Verification and validation of a parallel 3d direct simulation monte carlo solver for atmospheric entry applications. CEAS Space Journal, 9(1):127–137, Mar 2017
  Paul Nizenkov, Peter Noeding, Martin Konopka, and Stefanos Fasoulas
  
• A particle localization algorithm on unstructured curvilinear polynomial meshes. Computer Physics Communications, 235:63–74, 2019
  Philip Ortwein, Stephen M Copplestone, Claus-Dieter Munz, Tilman Binder, Wladimir Reschke, and Stefanos Fasoulas
  
• A particle-in-cell solver based on a high-order hybridizable discontinuous galerkin spectral element method on unstructured curved meshes. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 349:149–166, 2019
  M Pfeiffer, F Hindenlang, T Binder, SM Copplestone, C-D Munz, and S Fasoulas