Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Larissa Schunter

Sekretariat
Prof. Klinkner

Annegret Möller

Sekretariat
Prof. Krabbe

Barbara Klett

Administration

Dr. Thomas Wegmann

 


Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Tel. +49 711 685-69604
Fax +49 711 685-63596

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Low Diffusion (LD)

Das IRS arbeitet an der Entwicklung eines partikelbasiertes Simulationsverfahren, mit dessen Hilfe dreidimensionale, reibungsbehaftete und reaktive Strömungen mit großen Unterschieden in der lokalen Dichte numerisch untersucht werden können. Hierfür wird die etablierte Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode mit der neuartigen Low Diffusion (LD) Methode bidirektional gekoppelt. Das LD-Verfahren wurde 2007 am Nonequilibrium Gas & Plasma Dynamics Laboratory unter der Leitung von Professor Iain D. Boyd entwickelt. Während sich die DSMC-Methode einer mikroskopischen Betrachtung des strömenden Mediums bedient, wird bei der LD-Methode von einem Gleichgewichtszustand ausgegangen, so dass keine Teilchenkollisionen berechnet werden. Stattdessen wird der Impulsfluss in jeder Zelle erfasst und die makroskopischen Strömungsgrößen entsprechend der Energie- und Impulserhaltung korrigiert. Die aktuellen Werte werden jedem Simulationspartikel als Transportinformation aufgeprägt.
Die nachfolgenden Bilder zeigen die Ergebnisse einer reinen LD-Simulation einer Überschall-Stickstoffströmung (Einströmung bei Ma=1,8) in einen Kanal mit einer 15°-Rampe. Deutlich erkennbar sind die sich bildenden Stoßstrukturen (Video).

   Stoßstruktur einer Überschall-Kanalströmung (3D)       Stoßstruktur einer Überschall-Kanalströmung (2D)

LD-DSMC Simulation

Die Strategie des gekoppelten Verfahrens basiert auf der Einteilung des Strömungsfeldes in Abhängigkeit von der Gültigkeit der Kontinuumsannahme. In Gebieten, in denen die Kontinuumsannahme z.B. aufgrund einer geringen Teilchendichte versagt, soll die DSMC-Methode zur Anwendung kommen, wohingegen in Kontinuumsgebieten die LD-Methode angewandt wird. Das ingenieurwissenschaftliche Ziel ist es, das LD-DSMC-Verfahren als effiziente, realisierbare Lösung des Mehrskalenproblems zu validieren und somit zu einem besseren skalenübergreifenden Verständnis von Gasströmungen beizutragen.

Das Ergebnis einer LD-DSMC Simulation einer Überschall-Zylinderumströmung als Analogie zu einer Wiedereintrittsmission ist auf den folgenden Bildern dargestellt. Links ist die Temperaturverteilung der Gasströmung gezeigt und der sich ausbildende Stoß ist klar erkennbar. Rechts ist das Rechengebiet dargestellt. Die eingefärbten Rechenzellen zeigen, in welcher Region welches Verfahren zum Einsatz kommt. Es ist deutlich zu sehen, dass im Stoß aufgrund des hohen Gradienten und im Nachlauf aufgrund der geringen Teilchendichte nicht von einem Kontinuum ausgegangen werden kann und daher die DSMC-Methode verwendet wird. Die eingezeichneten Pufferzonen werden für die Kopplung bzw. die Kommunikation zwischen den beiden Partikelverfahren verwendet.


Dieses Projekt mit dem Namen "Bidirektionale Kopplung der Direct Simulation Monte Carlo-Methode mit einem partikelbasierten Kontinuumsverfahren" wird seit November 2013 von der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) finanziert.

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Asim Mirza
Tel. +49 (0)711 685-69614
Fax +49 (0)711 685-63596
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