Beschreibung
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In diesem Projekt wird eine mesoskalige Methode weiterentwickelt, um die extrem unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen einer Plasmaexpansion zu erfassen. Hierbei ist die Kopplung des Verfahrens mit der molekularen Ebene ein zentraler Punkt des Vorhabens. Ziel ist, molekulardynamische Simulationen so aufzubereiten, dass sie als Startbedingungen der mesoskaligen Simulationen eingesetzt werden können.
Das hier eingesetzte numerische Verfahren ist eine gekoppelte Partikelmethode, die sich aus einem Particle-in-Cell (PIC)- und einem Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Modul zusammensetzt. Während das PIC-Modul die elektromagnetischen Wechselwirkungen der Plasmapartikel sowie deren Interaktion mit dem Laserpuls modelliert, bildet das DSMC-Modul die Kollisionen und die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen nach. Dabei werden nicht alle physikalisch vorhandenen Teilchen abgebildet, sondern eine bestimmte Anzahl dieser zu einem Simulationspartikel (Makropartikel) zusammen gefasst.
PICLas - Plasma Simulationen
Plasmaströmungen können effektiv mit einer gekoppelte Partikelmethode, die sich aus einem
Particle-in-Cell (PIC)- und einem Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Modul zusammensetzt,
berechnet werden. Beim PIC-Verfahren werden kombinierte Euler-Langrange-Löser verwendet,
indem elektromagnetisch Felder mit einem DGSEM-Verfahren berechnet werden und sich
geladene, simulierte Teilchen durch das Rechengebiet bewegen. Durch eine Zweiwege-Kopplung
zwischen den Teilchen und den elektromagnetischen Feldern wird das Verfahren selbst konsistent in
der Zeit integriert. Das DSMC-Modul berechnet die dabei ablaufenden Kollisionen und chemischen
Reaktionen. Dabei werden nicht alle physikalisch vorhandenen Teilchen abgebildet, sondern eine
bestimmte Anzahl zu einem Simulationspartikel (Makropartikel) zusammen gefasst.
Particle-in-Cell Verfahren hoher Ordnung
Um PIC-Verfahren hoher Ordnung effizient anwenden zu können, umfasst die numerische
Verfahrensentwicklung gekrümmte Gitter und Zeitintegrationsverfahren hoher Ordnung. Typische
Anwendungen des Codes sind unter anerem Gyro-TWTs, Gyrotrons, Laser-Plasma-Interaktionen
und Raumfahrtanwendungen.
Gekoppelte PIC-DSMC-Simulation von laser-getriebenen ablativen Expansionsvorgängen
Laserablationsprozesse spielen eine immer wichtigere Rolle in der Festkörperphysik und
Materialbearbeitung. Deshalb wurden in den letzten Jahren auch zunehmend Computersimulationen
von Laser-Festkörper-Interaktionen entwickelt, die sich jedoch meist auf die direkte
Wechselwirkung und die Auswirkungen auf den Festkörper selbst beschränken und mit Methoden
der Molekulardynamik ausgeführt werden. Die Expansion des Plasmas direkt nach dem
Ablationsprozess ist jedoch für den weiteren Prozessverlauf mit von entscheidender Bedeutung. So
haben die Interaktion des Lasers mit dem entstehenden Plasma oder die Kontamination des
Festkörpers einen wesentlichen Einfluss auf die weitere Wechselwirkung des Lasers, werden jedoch
in den bisherigen Simulationen meist vernachlässigt.
Die mesoskaligen Simulationen in diesen Untersuchungen erlauben die Analyse der
Plasmaexpansion nach dem Ablationsprozess und können damit die Interaktion des Plasmas mit
einem erneuten Laserpuls erfassen. Für diese Simulationen wird die numerische Modellierung des
Laserpulses in Form von elektromagnetischen Feldern betrachtet. Die Ergebnisse sind dann wieder
von direktem Interesse für die molekulardynamischen Simulationen, da sich durch die Dämpfung
des Laserpulses aufgrund der Plasmawechselwirkung die Strahl- und Umgebungsbedingungen
ändern.