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Institut für Raumfahrtsysteme
Forschung
Raumtransporttechnologie
Numerische Modellierung und Simulation

Numerische Modellierung und Simulation

Institut für Raumfahrtsysteme

Die numerische Modellierung und Simulation am IRS beschäftigt sich mit den Eigenschaften und Auswirkungen von Strömungen bei Wiedereintrittsprozessen. Eine Besonderheit des Instituts ist das Verfahren "PICLas" mit der ausgegründeten Firma "boltzplatz"

Eintrittsmissionen in die Atmosphäre von Planeten sowie anderen Himmelskörpern stellen zukünftige Ziele in der Raumfahrt dar, die nur mit verbessertem Wissen um das Verhalten, die Eigenschaften und die Auswirkungen der Strömung um ein Raumfahrzeug sicher durchgeführt werden können. Des Weiteren gewinnt beim Design von fortschrittlichen Raumfahrttriebwerken ein fundiertes Wissen über das Verhalten des Abgasstrahls der Triebwerke an Bedeutung. Mit numerischen Verfahren können Strömungen simuliert werden, bei denen in aller Regel die Möglichkeiten, geeignete Experimente durchzuführen, stark eingeschränkt oder mit hohen Kosten verbunden sind. Daher kommt den numerischen Untersuchungsmethoden eine immer stärker werdende Bedeutung zu.

Simulationen vom DLR-REX-Free Flyer

Einen Schwerpunkt der Arbeitsgruppe Numerische Modellierung und Simulation stellt dabei die Modellierung von Nicht-Gleichgewichtseffekten bei Gasen und Plasmen dar. Diese treten immer dann auf, wenn es zu großen lokalen Unterschieden der Umgebungsbedingungen kommt, zum Beispiel bei großen Temperaturunterschieden. Beispiele aus der Raumfahrt wurden mit Eintrittsmissionen oder Raumfahrtantrieben bereits genannt. Allerdings ist das Verständnis dieser Effekte auch in anderen industriellen Bereichen zunehmend wichtig. Das Spektrum reicht dabei von Micro- und Nanotechnologie inklusive plasmabasierter Beschichtungsprozesse zur Nanotechnologieherstellung selbst bis hin zur Next-Generation Lithografie.

Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) und dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) wurde das Partikelverfahren „PICLas“ als flexibles Simulationswerkzeug zur Berechnung dreidimensionaler Gas- und Plasmaströmungen entwickelt. Mittlerweile konnte sich die Firma „boltzplatz“ als eine Universitätsausgründung ehemaliger Mitarbeiter der Numerikabteilungen von IRS und IAG auf Basis von „PICLas“ etablieren. Dies sorgt für einen direkten Austausch zwischen Industrie und Universität sowie eine immer weiter wachsende Anwenderzahl von PICLas auch außerhalb universitärer Einrichtungen. Mehr Informationen und Kontaktmöglichkeiten sind auf der boltzplatz Webseite zu finden.

Boltzplatz Homepage

Simulation eines atmosphärischen Wiedereintritts am Titan

PICLas koppelt verschiedene Feld- und Partikellöser, um in verschiedenen Gas- und Plasmaregimes numerisch effiziente Lösungsverfahren bereitstellen zu können. Historisch gesehen startete PICLas als Tool zur Simulation verdünnter Gase und Plasmen, weshalb die zwei größten Verfahren in PICLas derzeit das Particle-In-Cell (PIC) Modul und das Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Modul sind. Während das PIC-Modul die elektromagnetischen Wechselwirkungen von Partikeln in Plasmen modelliert, bildet das DSMC-Modul die Kollisionen und die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen in neutralen Strömungen sowie in Plasmaströmungen nach. Beide Methoden werden schon seit vielen Jahren in einem weiten Feld numerischer Untersuchungen eingesetzt und am IRS weiterentwickelt und optimiert.

Eine andere Entwicklung von PICLas beschäftigt sich mit der numerischen Untersuchung von Strömungen und Plasmen im Rahmen von Multiskalenphänomenen. Dies beinhaltet z.B. extrem große Dichtegradienten, wie sie in Düsenexpansionen vorkommen. Ein anderes Beispiel sind große zeitliche Gradienten von den in der Strömung vorkommenden physikalischen Effekten. So können die Zeitskala der Plasmaoszillation und die Zeitskalen der Advektion von Ionen, die in elektrischen Raumfahrtantrieben relevant sind, mehrere Größenordnungen auseinanderliegen. Hierzu werden verschiedene Partikelkontinuumsmethoden wie die Bhatnagar–Gross–Krook (BGK) oder die Fokker-Planck Methode mit PIC und DSMC gekoppelt. Zusätzlich werden verschiedene implizite Verfahren entwickelt, um die Effektivität der Methoden weiter zu erhöhen.
Des Weiteren spielen bei einigen der zu untersuchenden Strömungen Strahlungseffekte eine bedeutende Rolle. Daher beschäftigt sich die Arbeitsgruppe gesondert auch mit der Weiterentwicklung von Strahlungslösern.