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Modeling of polyatomic gas flows within a kinetic Fokker-Planck approach using a direct modeling method

Nagel, Aaron und Basov, Leo und Grabe, Martin (2023) Modeling of polyatomic gas flows within a kinetic Fokker-Planck approach using a direct modeling method. In: 10th EUCASS - 9th CEAS 2023, Seiten 1-10. 10th EUCASS - 9th CEAS 2023, 2023-07-09 - 2023-07-13, Lausanne, Schweiz. doi: 10.13009/EUCASS2023-424.

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Offizielle URL: https://www.eucass.eu/doi/EUCASS2023-424.pdf

Kurzfassung

The modeling of gas flows as for re-entry vehicles or jet plume expansion faces a large range of the Knudsen number. With Birds DSMC method [1], the Boltzmann equation, describing the evolution of the system by a probability density function, can be solved accurately. However, the computational expenses become unfeasable for small Knudsen numbers due to the complexity of the Boltzmann collision operator with the large amount of collisions. Therefore, the complex collision operator in the Boltzmann equation is approximated by a Fokker-Planck (FP) operator in velocity space. While DSMC models pairwise collisions, the collisions by the FP operator are modeled by local drift and diffusion coefficients, that are matched to reproduce the production terms of the Boltzmann collision operator in the continuum limit [2]. Both methods use computational particles. This way, a hybrid modeling approach can be set up where FP can be used in regions of high densities and small Knudsen numbers, while DSMC is used for rarefied flow regions and large Knudsen numbers [3]. In contrast to monatomic gas flows, polyatomic molecules can take up a significant amount of energy in internal modes like rotational and vibrational, which have a large influence on the entire flow field. An extension of the FP operator to a diatomic modeling has been approached using two methods: the Master-equation ansatz [4] and a direct modeling approach [5]. In the meantime, the Master-equation ansatz has been extended to a polyatomic model [6], while a polyatomic extension of the direct modeling approach will be presented in this paper. Comparisons with the Master-equation ansatz in terms of the quality of the flow field and flow properties as well as the overall performance are made. Finally, temporal relaxations of energies are investigated.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/193671/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Modeling of polyatomic gas flows within a kinetic Fokker-Planck approach using a direct modeling method
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Nagel, AaronAaron.Nagel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4790-7115138947310
Basov, Leoleo.basov (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4133-7876NICHT SPEZIFIZIERT
Grabe, MartinMartin.Grabe (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0361-2734NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Juli 2023
Erschienen in:10th EUCASS - 9th CEAS 2023
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.13009/EUCASS2023-424
Seitenbereich:Seiten 1-10
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTEUCASSNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
NICHT SPEZIFIZIERTCEASNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Status:veröffentlicht
Stichwörter:DSMC, Fokker-Planck, rarefied gas flows, polyatomic, numerical simulation, kinetic modeling
Veranstaltungstitel:10th EUCASS - 9th CEAS 2023
Veranstaltungsort:Lausanne, Schweiz
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:9 Juli 2023
Veranstaltungsende:13 Juli 2023
Veranstalter :EUCASS - CEAS
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Raumtransport
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RP - Raumtransport
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Wiederverwendbare Raumfahrtsysteme und Antriebstechnologie
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Raumfahrzeuge, GO
Hinterlegt von: Grabe, Dr. Martin
Hinterlegt am:19 Jul 2023 14:24
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:54

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