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

Direkt zu

 

Particle in Cell

Ziel des Particle in Cell (PIC) Verfahrens ist die Behandlung kollisionsfreier Plasmen, die durch die Maxwell-Vlasov-Gleichung beschrieben werden:

Maxwell-Vlasov-Gleichung

Die Besonderheit der PIC-Methode stellt dabei die komplexe Partikel-Gitter-Kopplung dar. Hierdurch können die elektromagnetischen Felder in einer eulerschen Betrachtungsweise auf dem Rechengitter behandelt und gelöst werden, während die Partikel sich in einer lagrangeschen Betrachtungsweise frei durch das Simulationsgitter bewegen können. Die Grundidee ist dabei, die Verteilungsfunktion f(x,v,t) des zu simulierenden Plasmas durch eine gewisse Anzahl von N Makropartikeln zu approximieren:

 Approximierung der Verteilungsfunktion

PIC-Schema wobei wi die Gewichtung der einzelnen Makropartikel darstellt. Während der Simulation wird in jedem Zeitschritt die Positionen der Makropartikel im Simulationsgitter ermittelt, um die aus ihnen resultierenden Quellterme der Maxwell-Gleichungen (Ladungs- und Stromdichten) auf die dazugehörigen Gitterpunkte zu deponieren. Die resultierenden elektromagnetischen Felder werden dann durch die numerische Lösung der Maxwellgleichungen auf dem Rechengitter unter Nutzung der Quellterme bestimmt. Anschließend werden die elektromagnetischen Felder an die Orte der Makropartikel interpoliert und die daraus resultierende Lorentzkraft F berechnet. Entsprechend der Kraft werden die Makropartikel relativistisch beschleunigt und bewegt und zuletzt neu im Simulationsgitter lokalisiert, bevor der der nächste Zeitschritt beginnt. Die typischen Anwendungen der PIC-Methode sind dabei die Behandlung hochionisierter Plasmen und bipolarer Plasmaströmungen.

Als mögliche Anwendung ist hier beispielhaft die zeitliche Entwicklung (Video) eines Plasmakanals zwischen zwei Elektroden (Zündvorgang) zu sehen. Abgebildet ist die Ionendichte.

Zündvorgang nach 72ps Zündvorgang nach 80ps

 Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Marcel Pfeiffer
Tel. +49 (0)711 685-60335
Fax +49 (0)711 685-63596
Mail to hier klicken
Dr.-Ing. Torsten Stindl
Tel. +49 (0)711 685-69617
Fax +49 (0)711 685-63596
Mail to hier klicken
Dipl.-Ing. Tilman Binder
Tel. +49 (0)711 685-69674
Fax +49 (0)711 685-63596
Mail to hier klicken