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