Das Partikelmodul in PICLas ermöglicht die einfache Implementierung und Nutzung verschiedener Löser wie z. B. die Particle in Cell-, Direct Simulation Monte Carlo-, Bhatnagar-Gross-Krook-, und die Monte Carlo Collision-Methode. Diese nutzen die Vorteile der gemeinsamen Algorithmen zur Partikellokalisierung und -verfolgung sowie eine gemeinsame Behandlung der Randbedingungen. Eine schematische Darstellung eines Zeitschritts in PICLas ist unten zu sehen.
Direct Simulation Monte Carlo
Die DSMC-Methode (Direct Simulation Monte Carlo) in PICLas für die Simulation von hochenthalpen, verdünnten Gasströmungen im Nicht-Gleichgewicht verfügt über eine Vielzahl von Funktionen, darunter:
- 1D-, 2D-, achsensymmetrische (einschließlich einer radialen Gewichtung) und 3D-Simulationen
- Gitterunabhängigkeit mit der Octree-basierten Netzverfeinerung und einer Nearest-Neighbour-Suche, siehe Pfeiffer et al. (2013)
- Breites Spektrum an verfügbaren Spezies von Elektronen bis zu polyatomaren Molekülen wie Methan und Kohlendioxid, siehe Pfeiffer et al. (2016) und Nizenkov et al. (2017)
- Behandlung von chemischen Reaktionen & Ionisationsprozessen mit dem Arrhenius-basierten Total Collision Energy (TCE)-Modell, dem mikroskopischen Quantum-Kinetic (QK)-Modell oder dem querschnittsbasierten Monte Carlo Collision (MCC)-Modell
Die Anwendungsgebiete der DSMC-Methode reichen vom Atmosphäreneintritt über Weltraumantriebe bis hin zu terrestrischen Anwendungen wie Mikrokanalströmungen und Vakuumpumpen.
Bhatnagar-Gross-Krook
Die Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)-Näherung ermöglicht die effiziente Simulation dichterer Gasströmungen, bei denen die DSMC-Methode zu rechenintensiv wird. Während die BGK-Methode in PICLas laufend erweitert wird, sind die wichtigsten Funktionen bereits implementiert:
- 2D-, achsensymmetrische (einschließlich einer radialen Gewichtung) und 3D-Simulationen, siehe Pfeiffer et al. (2019)
- Einzelspezies-Simulationen mit polyatomaren Molekülen unter Verwendung von quantisierter Vibrationsenergielevels, siehe Pfeiffer (2018)
- Simulation von Gasgemischen mit Hilfe der Multi-Spezies-Modellierung für atomare und diatomare Spezies, siehe Pfeiffer et al. (2021)
Ziel der aktuellen Entwicklung ist es, das gleiche Funktionsniveau wie bei der DSMC-Methode zu erreichen, um eine bidirektionale Kopplung beider Methoden für Anwendungen wie Atmosphäreneintritt und Weltraumantriebe zu ermöglichen. Gekoppelte BGK-DSMC-Simulationen eines nicht reaktiven Gases bestehend aus einer Spezies zeigten ein großes Potential in Bezug auf die Reduzierung der Rechenzeit, wie im Fall der Düsenexpansion gezeigt wurde.
Monte Carlo Kollisionen
Der Monte-Carlo-Kollisions-Algorithmus (MCC) bietet eine einfachere Möglichkeit zur Modellierung von Teilchenkollisionen und chemischen Reaktionen in PICLas. Er nutzt experimentell gemessene oder ab-initio berechnete Querschnittsdaten zur Modellierung der Kollisions-, Anregungs- und Reaktionswahrscheinlichkeiten. Für Plasmasimulationen kann er unter der Annahme eines konstanten Hintergrundgases verwendet werden, das um mehrere Größenordnungen größer ist als die ionisierten Spezies.
Particle in Cell
Die Particle in Cell (PIC)-Methode behandelt die elektromagnetischen Wechselwirkungen innerhalb einer kollisionsfreien Strömung. Sie kann mit anderen partikelbasierten Methoden wie DSMC oder MCC gekoppelt werden, um Kollisionsprozesse zu berücksichtigen. Weitere Details zum Feldlöser, der hinter der PIC-Implementierung von PICLas steckt, finden Sie hier.
Mehr Informationen zu den zugrunde liegenden Theorien und Modellierungen:
- Pfeiffer, M., Mirza, A., & Nizenkov, P. (2021). Multi-species modeling in the particle-based ellipsoidal statistical Bhatnagar–Gross–Krook method for monatomic gas species. Physics of Fluids, 33(3), 036106.
- Pfeiffer, M., Mirza, A., & Nizenkov, P. (2019). Evaluation of particle-based continuum methods for a coupling with the direct simulation Monte Carlo method based on a nozzle expansion. Physics of Fluids, 31(7), 073601.
- Pfeiffer, M. (2018). Extending the particle ellipsoidal statistical Bhatnagar-Gross-Krook method to diatomic molecules including quantized vibrational energies. Physics of Fluids, 30(11), 116103.
- Nizenkov, P., Pfeiffer, M., Mirza, A., & Fasoulas, S. (2017). Modeling of chemical reactions between polyatomic molecules for atmospheric entry simulations with direct simulation Monte Carlo. Physics of Fluids, 29(7), 077104.
- Pfeiffer, M., Nizenkov, P., Mirza, A., & Fasoulas, S. (2016). Direct simulation Monte Carlo modeling of relaxation processes in polyatomic gases. Physics of Fluids, 28(2), 027103.
- Pfeiffer, M., Mirza, A., & Fasoulas, S. (2013). A grid-independent particle pairing strategy for DSMC. Journal of Computational Physics, 246, 28–36.