Internationales Forscherteam vergleicht Simulationen von Plasmen

  • 10. January 2019

Selbst implementierte und kommerzielle Codes berechnen Streamer-Entladungen.

Die Vergleichbarkeit von Forschungs­ergeb­nissen wird seit vielen Jahren in der Wissenschafts­gemeinde diskutiert. Trotz identischer Versuchs­anordnungen mit klar defi­nierten experi­mentellen Parametern kommt es häufig zu unter­schiedlichen Er­geb­nissen. Selbst bei Computer­simulationen werden erhebliche Abwei­chungen registriert. Dies zeigt eine aktuelle Studie sieben renom­mierter Forschungs­institute und Universi­täten aus Deutschland, Belgien, Frankreich, Spanien, China und den Nieder­landen, an der auch Wissen­schaftler des Leibniz-Instituts für Plasma­forschung und Technologie (INP) in Greifswald beteiligt waren. Thema war ein Vergleich von sechs Simu­lations­codes für Streamer-Entla­dungen. Diese Plasmen werden unter anderem zum Abbau von Schad­stoffen oder zur Be­hand­lung chronischer Wunden genutzt. Aufgrund der Komplexität stellt die Simu­lation von Streamer-Ent­la­dun­gen eine große Heraus­forderung dar.

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Abb.: Räumliche Ausbreitung einer Streamer-Entladung in Abhängigkeit von der Zeit. Das Farbspektrum gibt die elektrische Feldstärke E in Megavolt pro Meter zum Zeitpunkt t an der Stelle (z, r) an.  (Bild: INP / B Bagheri et al. 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 095002)

Innerhalb der Studie verwendeten vier Gruppen einen selbst implemen­tierten Code, zwei weitere Teams die kom­merzielle Simu­lations­software COMSOL Multiphysics. Simuliert wurden drei einfache Entladungs­situationen in trockener Luft bei einem Bar und 300 Kelvin. Ebenso waren die verwendeten Transport­koeffizienten und Fluid­modelle identisch. Die Unter­suchungen ergaben, dass die Ergeb­nisse in der Standard-Netz­auflösung erheblich voneinander abweichen. Beim ersten Test mit einer relativ hohen Hinter­grund­dichte von Elektronen und Ionen ohne Berück­sichtigung von Photoionisation wurden erhebliche Unter­schiede bei den Streamer-Geschwin­digkeiten und maximalen elektrischen Felder regis­triert. Erst die Verwendung feinerer Raster führte zu akzep­tablen Über­ein­stim­mungen zwischen den Codes.

Beim zweiten Testfall – mit einer niedrigen Hinter­grund­ioni­sations­dichte – kam es zu abwei­chenden Streamer-Eigen­schaften und numerischen Insta­bilitäten. Auch hier führte erst eine feinere Netz­auflösung zu über­ein­stim­menden Ergeb­nissen. In einer dritten Unter­suchung wurden verschiedene gängige Ansätze zur Model­lierung der Photoionisation verglichen und bewertet. Hier wurde fest­gestellt, dass numerische Para­meter, wie bei­spiels­weise die Gitter­auflösung, eine größere Rolle für Unter­schiede in den Simu­lations­ergebnissen spielen als das Photo­ionisations­modell.

In ihrem im Dezember in der Zeitschrift Plasma Sources Science and Technology veröffent­lichten Fach­beitrag haben die Forscher nun detailliert die Berechnungs­zeiten, die verwendete Hardware und die numerischen Parameter für jeden Code beschrieben. Damit stellt diese Studie ein Referenz­beispiel für die Vergleich­barkeit von Simula­tionen in der Plasma­physik dar. Auf dieser Grund­lage können künftig weitere mathe­matische Modelle und Simulations­tools für Streamer-Entla­dungen untersucht werden.

INP / LK

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