Numerical Modeling and Simulation of Highly Rarefied Plasma Flows

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Das Arbeitsvorhaben befasst sich mit der numerischen Modellierung und Simulation von verdünnten Plasmaströmungen, für welche die Kontinuumsannahme versagt und daher eine kinetische Beschreibung herangezogen werden muss. Es wird dazu auf eine sehr allgemeine physikalische Beschreibung zurückgegriffen, die Wechselwirkungen sowohl kurzer als auch langer Reichweite zwischen den Teilchen einbezieht. Das numerische Gesamtmodel setzt sich aus drei Grundbausteinen zusammen: Das elektromagnetische Particle-In-Cell (PIC) Konzept besteht aus ausgeklügelten Teilchen/Gitter-Techniken, die eine selbstkonsistente Simulation von geladenen Teilchen in elektromagnetischen Felder erlauben, wobei die Felder nicht nur durch externe Quellen, sondern auch durch das Eigenfeld der Teilchen erzeugt werden. Die Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Technik stellt einen attraktiven Ansatz zur Simulation von Wechselwirkungen kurzer Reichweite zwischen Teilchen der gleichen wie verschiedener Spezies dar, der sich zur Modellierung der komplexen Plasmachemie erweitern lässt. Ferner wird die Fokker-Planck (FP) Approximation des Boltzmannschen Stoßintegrals benutzt, um die Stoßrelaxation der Elektronen im Geschwindigkeitsraum zu bestimmen. Erst die Kombination dieser unterschiedlichen Methoden und die Expertise der Antragsteller in den verschiedenen Teilgebieten ermöglicht erstmals die Simulation allgemeiner, verdünnter Plasmaströmungen mit Anwendungen wie beispielsweise die Simulation elektrischer Raumfahrtantriebe oder industrieller Plasmaquellen.