Particle method coupled with a radiation transport solver for the simulation of high-enthalpy, non-equilibrium plasma
Final Report Abstract
Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung gekoppelter Simulationsmodelle für Strahlungs-, Strahlungstransport- und Strömungslöser, um komplexe Nichtgleichgewichtsplasmen und -gase mit entsprechenden Strahlungseffekten simulieren zu können. Ausgangspunkt war der existierende PICLas-Löser, in dem diverse partikelbasierte Nichtgleichgewichtslöser für Gas- und Plasmaströmung bereits implementiert waren. PICLas konnte um einen HPC fähigen Line-by-Line Strahlungslöser erweitert werden, welcher so erweitert wurde, dass auch starke Nichtgleichgewichte zwischen den einzelnen Spezies der Strömung sowie auch innerhalb der verschiedenen inneren Freiheitsgrade berücksichtigt werden können. Zusätzlich wurde ein Monte-Carlo basierter Strahlungstransportlöser (STL) für 3D-, 2D-rotationssymmetrische und 2D-Fälle implementiert. Dieser wurde mit verschieden Rauschminderungstechniken erweitert und entsprechend verifiziert und validiert. Auch der STL kann dabei auf HPC-Systemen genutzt werden. Zur besseren Kopplung des STL mit dem Strömungslöser wurden auch verschiedene Rauschminderungstechniken für die partikelbasierten Strömungslöser untersucht und entwickelt. Außerdem wurden partikelbasierte Löser weiterentwickelt, welche deutlich effizientere Simulationen im Transitionsbereich ermöglichen, da in diesem Bereich meist besonders hohe Strahlungslasten entstehen. Es wurden zwei verschiedene Kopplungsmechanismen entwickelt, um die Lösung des STL zurück in den Strömungslöser zu koppeln. Mit einer der beiden Methoden konnten dabei schon sehr gute Ergebnisse für den FIRE II Wiedereintritt im Vergleich zu experimentellen Messungen erzielt werden. Durch das Projekt sind Simulationen zahlreicher komplexer physikalischer Probleme möglich geworden und die entwickelten Algorithmen werden in verschiedenen weiteren Projekten eingesetzt. So konnte aufbauend auf diesem Projekt der ERC Starting Grant ”MEDUSA”gewonnen werden, in welchem die Arbeiten an PICLas fortgeführt werden können.
Publications
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Extending the particle ellipsoidal statistical Bhatnagar-Gross-Krook method to diatomic molecules including quantized vibrational energies. Physics of Fluids, 30(11):116103, 2018
Pfeiffer, M.
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Particle-based fluid dynamics: Comparison of different Bhatnagar-Gross- Krook models and the direct simulation Monte Carlo method for hypersonic flows. Physics of Fluids, 30(10):106106, 2018
Pfeiffer, M.
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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
Pfeiffer, M.; Hindenlang, F.; Binder, T.; Copplestone, S.M.; Munz, C.-D. & Fasoulas, S.
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Evaluation of particle-based continuum methods for a coupling with the direct simulation monte carlo method based on a nozzle expansion. Physics of Fluids, 31(7):073601, 2019
Pfeiffer, M.; Mirza, A. & Nizenkov, P.
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A particle-based ellipsoidal statistical bhatnagar–gross–krook solver with variable weights for the simulation of large density gradients in micro-and nanonozzles. Physics of Fluids, 32(11):112009, 2020
Pfeiffer, M.
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Fokker-planck-poisson kinetics: multi-phase flow beyond equilibrium. Journal of Fluid Mechanics, 920, 2021
Sadr, Mohsen; Pfeiffer, Marcel & Gorji, M. Hossein
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Multi-species modeling in the particle-based ellipsoidal statistical bhatnagar–gross–krook method for monatomic gas species. Physics of Fluids, 33(3):036106, 2021
Pfeiffer, M.; Mirza, A. & Nizenkov, P.
