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

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SINA

SINA (Sequentieller, Iterativer Nichtgleichgewichts-Algorithmus)

Bei thermischen Lichtbogentriebwerken (TLT's) wird der Treibstoff hauptsächlich durch thermische Expansion beschleunigt. Dies ist auch bei induktiven Plasmageneratoren (IPG's) der Fall, bei denen jedoch auch magnetoplasmadynamische Effekte eine Rolle spielen. Für die Simulation dieser Triebwerkstypen und für Hybridgeneratoren (wie etwa TIHTUS) wird am IRS das Programmsystem SINA ständig weiterentwickelt. SINA erlaubt auch Berechnungen der Plasmaströmung in den Plasmawindkanälen des IRS, die zur Untersuchung von Hitzeschutzmaterialien die Plasmaströmung elektrischer Triebwerke nutzen. Dabei kann auch die Probenumströmung mit berücksichtigt werden.
 
Bei SINA handelt es sich um einen sequentiellen iterativen Löser. Das Lösungsverfahren von SINA setzt sich aus drei numerisch unterschiedlichen, expliziten und semi-impliziten Teilen zusammen:

 Iterationsschema SINA

   
Der Iterationsablauf von SINA besteht aus dem Navier-Stokes Strömungslöser, dem CVE-Löser, der die chemische Zusammensetzung, die Vibrationstemperaturen und die Elektronentemperatur liefert, sowie dem Entladungslöser. Dabei sind die drei einzelnen Löser loose über die Gesamtiteration miteinander gekoppelt. Durch eine hohe Anzahl von Gesamtiterationen wird die stationäre Lösung mit einer ausreichenden Konvergenz erreicht. Ausserhalb der Gesamtiterationsschleife können der interne Staubteilchenlöser oder die externen Strahlungssimulationsprogramme HERTA und PARADE eingekoppelt werden.

Strömungslöser (Navier-Stokes)

Navier Stokes

  • Die Navier-Stokes-Gleichungen beinhalten die Gesamtmassenerhaltung, die Impulserhaltung in alle drei Raumrichtungen und die Erhaltungsgleichung für die Gesamtenergie. Die Euler-Flüsse werden wahlweise mit AUSM+ (Advection Upstream Splitting Method) oder AUSM+-up gelöst. Hierbei kommen ein MUSCL-Verfahren und TVD-Limiter zum Einsatz, um bei räumlicher Diskretisierung 2. Ordnung auch an Diskontinuitäten Stabilität zu gewährleisten. Die viskosen Terme werden mittels zentraler Differenzen approximiert.
  • Die Transportkoeffizienten des Plasmas werden durch Ansätze aus der kinetischen Gastheorie basierend auf der Boltzmanngleichung berechnet nach den jeweils geeigneten Modellen von Yos oder Chapman-Cowling.
  • Das im CVE-Löser berechnete chemische und/oder thermische Nichtgleichgewicht wird im Strömungslöser berücksichtigt, jedoch als eingefroren angenommen.
  • Die Zeitintegration wird mittels eines 4-Schritt Runge-Kutta-Verfahrens durchgeführt.

 CVE-Löser

  • Die chemische Zusammensetzung im Nichtgleichgewicht erfordert die Berechnung von Bilanzgleichungen für jede chemische Spezies. Hierfür werden Reaktionsmodelle benötigt. Für Luft als gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff wird beispielsweise das Reaktionsmodell von Park verwendet. Dieses Modell beinhaltet 47 Reaktionsgleichungen, um die Zusammensetzung aus 11 Spezies (N, O, N2, O2, NO, N+, O+, N2+, O2+, NO+ und e) zu berechnen. 
  • Für die Bestimmung der Vibrationstemperaturen der Moleküle wird jeweils eine Bilanzgleichung für die Vibrationsenergie gelöst.
  • Die Elektronentemperatur folgt aus der Bilanzgleichung für die translatorische Energie der Elektronen.
  • Das aus den Gleichungen für die chemische Zusammensetzung, die Vibrationsenergieerhaltung und die Elektronenenergieerhaltung entstehende Gleichungssystem wird im impliziten Newton-Zeitschritt-Verfahren gelöst. Die daraus folgenden Vibrations- und Elektronentemperatur sowie die chemische Zusammensetzung werden beim nächsten Gesamtiterationsschritt im Strömungslöser verwendet.

 Entladungslöser

  • Mittels jeweils einer elliptischen Entladungsgleichung für Gleichstrom- (DC) bzw. induktive (RF) Entladung werden die Stromdichte und das Magnetfeld für den rotationssymmetrischen Fall berechnet. Daraus folgen dann die Quellterme für die Ohm'sche Heizung und die Lorentzkraft, die beim nächsten Gesamtiterationsschritt in Strömungslöser und CVE-Löser eingesetzt werden.

 

Sonstige Eigenschaften

  • Bei sehr hohen Temperaturen, wie sie in den elektrischen Triebwerken und bei hochenergetischen Eintrittsmanövern auftreten, spielen Strahlungseffekte eine Rolle. Um diese bei der numerischen Simulation mit SINA berücksichtigen zu können, kann SINA mit den für die Berechnung von Strahlungseffekten entwickelten Programmen HERTA und PARADE Strahlungseffekte berücksichtigen, wie dies auch bei URANUS möglich ist.
  • Die Berechnung erfolgt auf strukturierten Multiblockgittern. Dies ermöglicht eine verhältnismässig einfache Parallelisierung (OpenMP) des Programmsystems, so dass SINA auch auf Parallelrechnern eingesetzt werden kann. Die Multiblockgitter werden mit GridPro erstellt.

Anwendungsbeispiele

Hybrid-Plasmagenerator TIHTUS:

TIHTUS_U

3D Eintrittssimulation:

cone 

 Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Uwe Bauder
Tel. +49 (0)711 685-62489
Fax +49 (0)711 685-63596
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