Simulation von seltenen und transienten Ereignissen in verdünnten Gasen

• Antragsteller: Dr. Georgii Oblapenko; Professor Dr. Manuel Torrilhon
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578802155

Der vorliegende Antrag befasst sich mit der Entwicklung neuer Möglichkeiten der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode, eines stochastischen, partikel-basierten numerischen Verfahren, das häufig für die Simulation von verdünnten Gasströmungen und Plasmen verwendet wird und zwar in Fällen bei denen die üblichen Simulationsansätze der Kontinuumsmechanik nicht gültig sind. Das Verfahren wird in Forschung und Industrie in großem Umfang eingesetzt, weist jedoch erhebliche Nachteile auf, wenn es um die Simulation von instationären Strömungen, von Strömungen mit Spurenelemente und von Strömungen geht, bei denen Ereignisse mit geringer Wahrscheinlichkeit einen großen Einfluss auf den Prozess haben. Solche Szenarien sind für viele Anwendungen in Forschung und Technik relevant und treten beispielsweise auf im Kontext von instationären Prozessen bei Satellitenantrieben und der Landung von Raumsonden, hochfrequenz-getriebene Plasmen in der Plasmatechnik und elektrische Durchschlagsprozesse in Schaltkreisen. Für solche Strömungen ist oft eine effiziente, adaptive und genaue Simulationsmöglichkeit nicht vorhanden. Der Antrag nutzt das DSMC Verfahren mit variabler Gewichtung und befasst sich mit der Entwicklung von 1) neuen rechnergestützten Partikelaufteilungsschemata für eine verbesserte Auflösung von Prozessen mit geringer Wahrscheinlichkeit, 2) neuen struktur-erhaltenden Partikelverschmelzung und 3) Geschichtsverfolgungsmethoden für Partikel zur Lösungsanpassung und Quantifizierung der Auswirkungen verschiedener Prozesse auf die relevanten Größen. Diese Entwicklungen werden Folgendes ermöglichen: eine höhere Auflösung der physikalischen Prozesse in verdünnten Strömungen, eine verbesserte Rechenleistung und die Möglichkeit adaptiver, prozessorientierter Simulationen. Die entwickelten Methoden und Erweiterungen von DSMC werden in einem Open-Source DSMC-Code implementiert und auf die Modellierung von Satellitenantriebe und RF-Plasmen angewendet, um sie zu verifizieren und die Auswirkungen der neuen Methoden auf die Simulationsgenauigkeit und die Rechenkosten zu quantifizieren. Die in diesem Vorschlag entwickelten neuen DSMC-Algorithmen werden die Fähigkeit von DSMC, instationäre Strömungen mit Ereignissen geringer Wahrscheinlichkeit genau zu simulieren, erheblich verbessern, was zu einer verbesserten Modellierung einer Vielzahl von Anwendungen führt, die für die Luft- und Raumfahrttechnik, die Halbleiterherstellung und Plasmatechnik relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen