Bidirectional Coupling of the Direct Simulation Monte Carlo Method with a Particle-Based Continuum Method
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsprojektes war die Weiterentwicklung von PICLas, ein an der Universität Stuttgart untersuchtes Simulationsprogramm, um damit partikelbasierte Strömungssimulationen auszuführen, deren gaskinetische Eigenschaften sich von Kontinuum bis zur freien Molekülbewegung erstrecken können. Hierzu wurde das partikelbasierte Low Diffusion-Verfahren (LD) weiterentwickelt und mit der in PICLas implementierten Direct Simulation Monte Carlo-Methode (DSMC) gekoppelt. Zu den Weiterentwicklungen der LD-Methode zählen der Ausbau des Verfahrens für die Anwendung auf dreidimensionale Strömungsprobleme, die Implementierung dissipativer Transportphänomene und die Entwicklung eines Chemiemodells für die Simulation reaktiver Gase. Zusätzlich wurden erweiterte Diskretisierungsmodelle implementiert, um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu erhöhen. Die Erweiterung auf dreidimensionale Strömungsprobleme erforderte eine neue Methode zur Berechnung der Partikelbewegung im LD-Verfahren. Die Implementierung dissipativer Transportphänomene beinhaltete Modelle für den diffusiven Massentransport, den viskosen Transport von Impuls und den Transport von Energie auf Basis der Wärmeleitung innerhalb des Gases. Zusätzlich wurden unterschiedliche Mehrtemperaturmodelle für das LD-Verfahren implementiert und untersucht. Im letzten Schritt der Erweiterung der physikalischen Modellierung des LD-Verfahrens wurde ein Chemiemodell zur Simulation reaktiver Strömungen entwickelt. Die Berechnung der Reaktionsrate basiert hierbei auf der modifizierten Arrhenius-Gleichung. Anhand einer Reihe von Testfällen wurde das erweiterte LD-Verfahren erfolgreich verifiziert. Im nächsten Schritt wurde das neue LD-Verfahren mit der DSMC-Methode in PICLas zu einem hybriden Verfahren gekoppelt. Dieses hybride LD-DSMC-Partikelverfahren analysiert selbstständig das Strömungsfeld und teilt es in Kontinuums- und Nichtgleichgewichtsgebiete ein. In der Kontinuumsregion wird die Strömung mit dem LD-Verfahren simuliert, ansonsten wird die DSMC-Methode angewendet. Der Nutzen, die Anforderungen und die Probleme der hybriden Methode wurden mittels zahlreicher Anwendungsbeispiele demonstriert und diskutiert. Die in diesem Zusammenhang entwickelte neue LD-DSMC-Methode ist in ihrer Modellierung von dreidimensionalen reaktiven Strömungen einzigartig. Im Laufe des Projektes stellte sich jedoch gleichzeitig heraus, dass der gewünschte Performancegewinn bei dem neuen Verfahren trotz erweiterter Diskretisierungsmodelle relativ gering ist. Ungeachtet dessen stellen die Ergebnisse eine fundierte Basis für weitere Forschungen auf dem Gebiet der hybriden Simulationsmethoden, die Kontinuums- und Nichtgleichgewichtsverfahren vereinen, dar.
Publications
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“Coupled Particle-In-Cell and Direct Simulation Monte Carlo method for simulating reactive plasma flows”, Comptes Rendus Mécanique, 342(10-11):662–670, 2014
C.-D. Munz, M. Auweter-Kurtz, S. Fasoulas, A. Mirza, P. Ortwein, M. Pfeiffer, T. Stindl
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“Implementation of Multitemperature Models in the Low Diffusion Particle Method for the Simulation of Internal Energy Nonequilibrium Effects in Continuum Flow Regions”, in 8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles Proceedings, 2015
A. Mirza, R. Mansk, S. Fasoulas
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“Two statistical particle split and merge methods for Particle-in-Cell codes”, Computer Physics Communications, 191:9–24, 2015
M. Pfeiffer, A. Mirza, C.-D. Munz, S. Fasoulas
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“Direct simulation Monte Carlo modeling of relaxation processes in polyatomic gases”, Physics of Fluids, 28(2):27103, 2016
M. Pfeiffer, P. Nizenkov, A. Mirza, S. Fasoulas
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“Recent developments of DSMC within the reactive plasma flow solver PICLas”, in AIP Conference Proceedings, page 130003, 2016
W. Reschke, T. Binder, J. Kleinert, A. Mirza, P. Nizenkov, M. Pfeiffer, S. Fasoulas, S. Copplestone, P. Ortwein, C.-D. Munz
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“Validation and comparison between the low diffusion and DSMC method based on the 70° blunted cone test case”, in AIP Conference Proceedings, page 190001, 2016
A. Mirza, P. Nizenkov, S. Fasoulas
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“Verification and validation of a parallel 3D direct simulation Monte Carlo solver for atmospheric entry applications”, CEAS Space Journal, 2016
P. Nizenkov, P. Noeding, M. Konopka, S. Fasoulas
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“Modeling of chemical reactions between polyatomic molecules for atmospheric entry simulations with direct simulation Monte Carlo”, Physics of Fluids, 29(7):077104, 2017
P. Nizenkov, M. Pfeiffer, A. Mirza, S. Fasoulas
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“Three-dimensional implementation of the Low Diffusion method for continuum flow simulations”, Computer Physics Communications, 2017
A. Mirza, P. Nizenkov, M. Pfeiffer, S. Fasoulas
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“Combining particle-in-cell and direct simulation Monte Carlo for the simulation of reactive plasma flows”, Physics of Fluids, 31(7):072006, 2019
S. Fasoulas, C.-D. Munz, M. Pfeiffer, J. Beyer, T. Binder, S. Copplestone, A. Mirza, P. Nizenkov, P. Ortwein, W. Reschke
