Numerische Modellierung und Simulation - Strahlung

Raumfahrzeuge, die in planetarische Atmosphären eindringen, sind hohen Enthalpieströmungen ausgesetzt, die sich in starkem thermischen und chemischen Nichtgleichgewicht befinden. Die hohe spezifische Enthalpie führt zu einer erheblichen Ionisation der Strömung, zudem werden die inneren Freiheitsgrade der Atome und Moleküle stark angeregt. Dies ermöglicht starke Gasstrahlung im ultravioletten und sichtbaren Wellenlängenbereich. Auf der einen Seite führt diese Umwandlung der Energie zu einem Kühleffekt in der Strömung, der Strahlungskühlung. Auf der anderen Seite hingegen wird die Energie zur Oberfläche des Raumfahrzeugs transportiert und führt zu einem zusätzlichen Strahlungswärmefluss. Besonders bei hyperbolischen Wiedereintritten kann diese Komponente des Oberflächenwärmeflusses erheblich sein.

Aufgrund hoher Unsicherheiten bei der korrekten Vorhersage des Wärmestroms, werden Hitzeschilde in der Regel mit hohen Sicherheitsfaktoren ausgelegt. Experimentelle Messungen von Strahlungsprozessen in Plasmen sind oft kompliziert und sehr kostspielig. Daher hat sich die numerische Simulation von Wiedereintrittsströmungen als integraler Bestandteil im Designprozess von Wiedereintrittskörpern entwickelt, mit dem Ziel, die Designmargen und damit die Kosten zu reduzieren.

Typischerweise werden CFD-Methoden verwendet, die jedoch auf Navier-Stokes-Gleichungen basieren. Daher kann diese Art von Lösern nur in einem bestimmten Bereich von Gas- und Plasmaregimen verwendet werden und der Fehler bei verdünnten Gasen und starken thermischen und chemischen Nicht-Gleichgewichtseffekten steigt. Experimentelle Studien haben jedoch gezeigt, dass diese Nicht-Gleichgewichtseffekte entscheidend für die korrekte Vorhersage von Strahlungswärmeflüssen und die Interpretation von Spektrometermessungen sein können. Um dieses Problem zu überwinden, ist eine gas-kinetische Beschreibung des Plasmas notwendig. Hierbei sind die inneren Energien, die die Schlüsselquelle für Strahlungsprozesse sind, nicht unbedingt auf Boltzmann-Verteilungen beschränkt.

Hierfür wurde ein Strahlungsmodul in PICLas implementiert, das aus einem Strahlungslöser und einem Löser für den Strahlungsenergietransport besteht. Zur Berechnung des Energietransports wird die Änderung der Strahlungsintensität aufgrund von Emission und Absorption des umgebenden Gases im Simulationsgebiet untersucht. Emissionskoeffizienten geben die emittierte Strahlungsleistung pro Volumen an, während Absorptionskoeffizienten die absorbierte Strahlung pro Weglänge beschreiben. Diese Koeffizienten werden mit einem implementierten line-by-line Code berechnet, der sowohl diskrete Strahlungsübergänge als auch Kontinuumsstrahlung berücksichtigt. Zur Lösung des Energietransports durch das Rechengebiet wird die gängige und weit verbreitete Monte-Carlo-Methode eingesetzt. Sie zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit auch bei geometrisch komplexen Problemen, sowie eine hohe Flexibilität bezüglich der spektralen und räumlichen Auflösung aus.