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• W194296526 abstract "Zur genauen Ausrichtung etwa eines Satelliten in seinem Orbit werden haufig Steuerdusen verwendet. Aufgrund des niedrigen Gegendruckes breitet sich das Gas auserhalb der Duse allseitig aus, was zu Kontamination und thermischer Belastung der umliegenden Oberflachen sowie unerwunschten Kraftwirkungen fuhrt. Genaue Kenntnis der Strahlglockenausbreitung sind daher fur den Entwurf und die Missionsgestaltung von Satelliten von groser Bedeutung.Die experimentelle Charakterisierung von Treibstrahlen unter Weltraumbedingungen ist sehr aufwendig und eine numerische Simulation der Gasexpansion kann viele technische Konfigurationen schneller beurteilen helfen. In starken Expansionsstromungen verringert sich die Dichte jedoch schnell uber mehrere Grosenordnungen, so dass schon bald nicht mehr genugend viele intermolekulare Kollisionen stattfinden, um thermisches Gleichgewicht zu gewahrleisten. In diesem Nichtgleichgewichtsgebiet auserhalb des isentropen Kernstrahls sind die bekannten Navier-Stokes-Gleichungen der Kontinuums-Gasdynamik nicht mehr gultig, und die auf ihnen basierenden klassischen Methoden der numerischen Stromungsmechanik (CFD) liefern falsche Ergebnisse. Fur die Simulation verdunnter Stromungen hat sich das auf probabilistischen Methoden beruhende Partikelverfahren Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) bewahrt. Da letzteres insbesondere im Bereich dichter Gasstromungen erheblich hohere Anforderungen an die Rechenleistung stellt als die CFD-Methoden, wird das Stromungsfeld in zwei Bereiche geteilt: Die annahernd isentrope Stromung des Dusenkernstrahls wird mit einem kontinuumsmechanischen Finite-Volumen-Verfahren gelost, die Expansion des Gases im Nichtgleichgewicht wird durch das DSMC-Verfahren simuliert. Die Gultigkeitsgrenze der Navier-Stokes-Gleichungen und damit der Kopplungsrand zum gaskinetischen DSMC-Verfahren wird anhand eines geeigneten Parameters aus der Kontinuumslosung ermittelt. Aufgrund der hohen Machzahlen der Expansionsstromung wird zunachst angenommen, dass die Bedingungen im DSMC-Gebiet keine Auswirkung auf die Kontinuumslosung haben (Stromab-Kopplung). Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit entlang der Kopplungsgrenze sind dann die Randbedingungen fur das Partikelverfahren.Fur den untersuchten Fall einer axial-symmetrischen Stickstoffexpansion aus einer konischen Duse liegen die Isolinien der verwendeten Indikatoren zur Bestimmung der Kopplungsgrenze zum grosen Teil annahernd parallel zur lokalen Stromungsrichtung, was aus Sicht eines mit der Stromung bewegten Beobachters einer Effusion entspricht. Eine grose Anzahl Partikel gelangt also allein aufgrund ihrer thermischen Geschwindigkeit uber die Kopplungsgrenze in das Gebiet der Kontinuumslosung. Der somit unberucksichtigte Partikelfluss bewirkt einen unphysikalischen Dichtesprung uber den Kopplungsrand. Obwohl die so gewonnenen Simulationsergebnisse im Nahfeld der Duse unbefriedigend sind, ist die Ubereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen im Fernfeld dennoch sehr gut.Eine reine Stromab-Kopplung von kontinuumsmechanischen und gaskinetischen Verfahren zur numerischen Simulation einer Expansionsstromung ins Vakuum ist entgegen bisheriger Annahmen nicht uneingeschrankt gerechtfertigt. Ein besseres Simulationsergebnis kann durch eine iterative Anpassung von Kontinuumslosung und DSMC-Losung erzielt werden." @default.
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