Numerische Modellierung der elektrischen Entladung innerhalb elektrischer Antriebssysteme mittels eines hybriden PIC-MCC/FVM-Verfahrens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rodion Groll
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392356807

In dem beantragten Forschungsprojekt wird ein neuartiges Konzept zur Modellierung von Plasmaströmungen untersucht und für die numerische Modellierung eines thermischen Lichtbogentriebwerks eingesetzt. Diese Bereitstellung kleiner und präziser Schubkräfte ist für die Lageregelung von miniaturisierten Satelliten und für den angestrebten koordinierten Formationsflug von Satellitenflotten von größter Bedeutung. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, das in darauf aufbauenden Vorhaben das Verständnis von komplexen Plasmaphänomenen, wie eine in Halltriebwerken beobachtete erhöhte Elektronenbeweglichkeit, zu verbessern.Bei kontinuumsbasierten Modellen ist die Abschätzung unterschiedlicher, physikalischer Größen, wie der elektrischen Leitfähigkeit, der Anodentemperatur sowie Transportkoeffizienten, oft nur anhand empirischer Werte möglich. Dies resultiert im Wesentlichen aus der hohen Komplexität der auftretenden Plasmavorgänge und den oft enormen Rechenanforderungen, die damit verbunden sind. Ansätze zur Reduzierung der Rechenanforderungen sollen in diesem Projekt mit einem hybriden Modell in Angriff genommen werden. Hierbei wird eine kinetische Betrachtung der Ladungsträgern und die Betrachtung des Neutralgases als Fluid vorgeschlagen. Die Ergebnisse der Fluidgleichung werden dazu genutzt, eine Wolke von Neutralteilchen zu erzeugen, welche mit den PIC-Teilchen interagiert. Ionisierungs- und Rekombinationsraten werden auf Teilchenebene ermittelt und fließen als Quellterme in die Fluidgleichung des Neutralgases ein. Herausforderungen bezüglich der Beschreibung von Plasmaphänomenen in elektrischen Triebwerken und deren numerischen Modellierung sind die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb eines thermischen Lichtbogentriebwerks ohne das Heranziehen von empirischen Modellen und die Entwicklung von effizienten, hybriden Modellen für technische Anwendungen, bei denen große Unterschiede bezüglich Zeit- und Längenskalen der physikalischen Vorgänge vorhanden sind.Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, ein numerisches, hybrides Modell zu untersuchen, welches die physikalischen Vorgänge innerhalb eines elektrischen Antriebssystems präzise beschreibt. Das Modell soll in der ersten Phase des Forschungsprojektes mit Fokus auf das Ionisierungs- und Plasmaverhalten innerhalb eines thermischen Lichtbogentriebwerks entwickelt und validiert werden. Am Ende der ersten Förderperiode steht ein hybrides PIC-MCC/FVM-Modell für ein thermisches Lichtbogentriebwerk zur Verfügung. Das Modell basiert auf einer kinetischen Betrachtungsweise der Elektronen und ermöglicht die Bestimmung von Plasma- und Ionisierungskenngrößen auf kinetischer Ebene.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen