ISBN 9783843926270

978-3-8439-2627-0, Reihe Raumfahrt

Uwe Bauder
Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation der magnetohydrodynamischen Nichtgleichgewichtsströmung in hybriden DC-RF Plasmaquellen

127 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Das Labormodell eines hybriden Plasmagenerators mit potentieller Anwendung als elektrisches Raumfahrttriebwerk TIHTUS (Thermal-Inductive Heated Thruster of the University of Stuttgart) besteht aus einem Lichtbogentriebwerk, dessen Plasmastrahl in einer zweiten Stufe vor allem in den Randbereichen induktiv nachgeheizt wird. In dieser Arbeit wird das komplett überarbeitete und erweiterte Simulationsprogramm SINA für die numerische Simulation derartiger hybrider DC-RF Plasmaquellen beschrieben.

In seiner neuen Version ersetzt ein dreidimensionales Finite-Volumen-Verfahren den rotationssymmetrischen, zweidimensionalen Programmteil für die Berechnung des thermochemischen Nichtgleichgewichts. Dabei wurde eine variable Formulierung der chemischen Reaktionsmodelle und des thermischen Nichtgleichgewichts eingebaut. Zusätzlich ist die Berechnung der Transportkoeffizienten um ein genaueres Modell erweitert. Des Weiteren enthält die neue Version für die Gleichstromentladung in der ersten Stufe und die induktive Entladung der Nachheizung in der zweiten Stufe jeweils einen Programmteil, der die entsprechende rotationssymmetrische Entladungsgleichung löst.

Die Lösung des gekoppelten, mathematisch steifen Gleichungssystems erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an das Lösungsverfahren in SINA durch einen lose gekoppelten Ansatz, bei dem die drei Teilprobleme Strömung, thermochemisches Nichtgleichgewicht und elektrische Entladung sequentiell iteriert werden. Dies geschieht auf strukturierten Multiblockgittern, um komplexe Geometrien qualitativ hochwertig zu diskretisieren. Die Parallelisierung der Programmteile für die Berechnung der Nichtgleichgewichtsströmung mit OpenMP ermöglicht die parallele Berechnung der einzelnen Blöcke. Anhand verschiedener Testfälle mit steigender Komplexität kann das neue Programm sukzessive erfolgreich validiert werden.

Durch diese Arbeit steht ein lose gekoppeltes Simulationsprogramm zur Verfügung, mit welchem die viskose, hochenthalpe Plasmaströmung beim atmosphärischen Eintritt unter Berücksichtigung thermochemischen Nichtgleichgewichts für verschiedene Gase simuliert werden kann. Ebenso stehen zwei Löser für die Berechnung von Gleichstromentladung und induktiver Entladung auf strukturierten Multiblockgittern zur Verfügung. Allerdings ist eine weitere Erhöhung der Stabilität des Gesamtverfahrens notwendig, um zukünftig die thermochemische Nichtgleichgewichtsströmung in DC-RF Plasmaquellen gekoppelt simulieren zu können.