Entwicklung und Anwendungen kinetischer Teilchenmethoden in der Abteilung Raumfahrzeuge des Instituts für Strömungsmechanik am DLR Göttingen

Kurzfassung

Die Abteilung Raumfahrzeuge am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik betreibt Forschung und Entwicklung zu einem breiten Spektrum an aerothermodynamischen, raumfahrtrelevanten, Problemen. Die Abteilung betreibt großtechnische Testanlagen für Hochenthalpie-Hyperschallströmungen, sowie Hochvakuum-Abgasstrahl-Testanlagen für chemische und elektrische Orbitalantriebe. Die experimentellen Möglichkeiten werden durch die hauseigenen, hochgenauen Navier-Stokes-Löser „TAU“ und „CODA“ ergänzt, sofern die damit verbundenen Strömungsprobleme durch eine ausreichend niedrige Knudsen-Zahl gekennzeichnet sind. Angetrieben von der Notwendigkeit, verdünnte Strömungen mit hoher Recheneffizienz im ingenieurtechnischen Maßstab zu untersuchen, stützen wir uns auf den Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Code SPARTA, der bei den Sandia National Laboratories entwickelt wurde. Viele technisch relevante Strömungsszenarien umfassen jedoch Bereiche mit einer stark variierenden Knudsen-Zahl. Während die DSMC-Methode Gasströmungen mit niedriger Knudsen-Zahl korrekt modelliert, ist es attraktiv, sie mit einem numerischen Schema zu kombinieren, welches diesen Strömungsbereich effizienter berechnet. Die Wahl der partikelbasierten Fokker-Planck-Methode ist naheliegend, da sie im Wesentlichen nur Teilcheninteraktionen in DSMC durch ein alternatives Schema der Impuls- und Energieumverteilung ersetzt, welches nicht auf der Auswertung binärer Kollisionen beruht. In diesem Vortrag geben wir einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen, Erweiterungen und Anwendungen der partikelbasierten Fokker-Planck-Methode, die am DLR Göttingen durchgeführt wurden. Die ursprüngliche Methode , wurde um Gasgemische , die Umverteilung der inneren Energie in zweiatomaren und mehratomaren Spezies sowie seit kurzem auch chemische Reaktionen in der Gasphase erweitert. Dabei wurde die Kompatibilität mit den üblicherweise in DSMC verwendeten Modellen beibehalten. Wir zeigen Anwendungsbeispiele, in denen die Fokker-Planck-Lösungen mit denen von DSMC und Navier-Stokes verglichen werden, und diskutieren den Bedarf an Weiterentwicklungen.