Partikelbasierte kinetische Simulationen haben einen großen Nachteil: das statistische Rauschen, das durch die stochastischen Prozesse verursacht wird. Wenn die Geschwindigkeits- oder Temperaturunterschiede in der Strömung gering sind, kann dieses Rauschen eine ähnliche Größenordnung haben wie die tatsächlichen physikalischen Werte, wodurch die Simulationsergebnisse wertlos werden. Bei Wiedereintrittssimulationen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur recht hoch sind, ist dies in der Regel kein großes Problem, aber bei Anwendungen mit niedrigeren Geschwindigkeiten, wie Gassensoren oder andere mikroelektromechanische Systeme, können wichtige Nichtgleichgewichtseffekte im statistischen Rauschen untergehen. Um dieses Problem zu lösen, ohne die Anzahl der Simulationspartikel und damit die Rechenkosten zu stark zu erhöhen, müssen neue Methoden entwickelt werden.
Eine andere Art von kinetischen Methoden, mit denen man verdünnte Gase simulieren kann, sind die Discrete-Velocity-Methoden (DVM), die einen vollständig deterministischen Ansatz ohne Zufallszahlen verwenden. Diese Methoden diskretisieren die BGK-Gleichung unter Verwendung eines Gitters im Raum, aber auch im Geschwindigkeitsraum vollständig, anstatt Simulationsteilchen zu verwenden. Eine genaue Discrete-Velocity-Methode zweiter Ordnung ohne physikalische Beschränkung der zeitlichen Diskretisierung wurde entwickelt und in PICLas implementiert. Diese Methode ist besonders effizient für 2D-Strömungen, bei denen die dritte Dimension von Raum und Geschwindigkeit nicht berücksichtigt werden muss. Für Strömungen mit geringer Geschwindigkeit führt sie zu viel genaueren Ergebnissen in viel kürzerer Zeit als ihr partikelbasiertes Gegenstück.
Die feine Diskretisierung der Partikelgeschwindigkeiten, um DVM für Hyperschallströmungen mit starken Nicht-Gleichgewichtseffekten zu verwenden, bleibt jedoch eine Herausforderung. Eine Kopplung von DVM mit dem Partikel-Löser in PICLas wäre daher von Vorteil, um einen Multiskalen-Löser zu schaffen. Damit könnten beide Methoden gleichzeitig eingesetzt werden, um die Schwächen der jeweils anderen auszugleichen. Die Entwicklung von Partikelsimulationsmethoden zur Rauschreduzierung, möglicherweise durch die Kombination von DVM mit stochastischen Partikeln, ist daher noch nicht abgeschlossen.

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Félix Garmirian
M. Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter
