DSMC / PIC-MC Simulationssoftware

DSMC / PIC-MC Simulationssoftware
© Fraunhofer IST

Die DSMC / PIC-MC Simulationssoftware des Fraunhofer IST zeichnet sich durch ein effizientes Parallelisierungsschema aus. Alle Laufzeitkomponenten, einschließlich der elektrischen und magnetischen Feldlöser, sind parallele Implementierungen. Dies erlaubt die Verteilung der Rechenlast für Gasfluss- und Plasmasimulation auf beliebig vernetzte Rechnersysteme ohne Bottleneck. Ein Verteilungsalgorithmus sorgt hierbei automatisch für die optimale Auslastung der verwendeten CPU-Ressourcen.

Ortsvariationen der Rechenlast über mehrere Größenordnungen, z.B. bei Düsenströmung oder Glimmentladungen, können durch ortsvariable Zellauflösungen und Partikelgewichtungen – sog. Multiskalenansätze – kompensiert werden. Multiskalenansätze und Parallelisierung ermöglichen anspruchsvolle Aufgabenstellungen für die Simulation, wie z.B. Magnetron-Entladungen im industriellen Maßstab, dreidimensional zu simulieren.

Eine weitere Besonderheit des DSMC / PIC-MC-Simulationssoftware ist die Geometriemodellierung mit Finite-Elemente-Netzen. Die Finite-Elemente-Netze werden hierbei direkt auf dem regelmäßigen Rechengitter des Simulationsraums abgebildet. Auf diese Weise werden Modellkonturen adäquat approximiert ohne die Effizienz des regelmäßigen Rechengitters aufgeben zu müssen. Für die Geometriemodellierung kann jedes CAD Programm (GMSH, Solid Edge™, Autodesk™, etc.) verwendet werden, das gängige Ausgabeformate wie STEP oder IGES unterstützt.

Aus den Finite-Elemente-Netzen werden vordefinierte Eingabemasken erstellt in denen die Simulationsparameter festgelegt werden. Mögliche Eingabefehler, wie z.B. eine unzureichende Zellauflösung oder Zeitschrittweite, werden durch eine automatische Konsistenzprüfung abgefangen. Die DSMC / PIC-MC Simulationssoftware wird kontinuierlich weiterentwickelt, um ihre Zuverlässigkeit, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten.

Softwarespezifikationen

Spezifikation Umsetzung Bemerkung
Unterstützt Linux OS – alle Distributionen (Debian, SUSE, etc.) GNU g++ Kompilierung Keine Windows Unterstützung in naher Zukunft geplant
Parallelisierung aller Laufzeitkomponenten Gebietszerlegung; MPI Prozesskommunikation Unterstützt Ressourcenfreigabe mit Grid-Scheduler
Elektrischer Feldlöser
(nur PIC-MC)
Taylor Extrapolation Method (TEX); iterative Lösung via Successive Over Relaxation (SOR) Quasi-Stationärer Lösungsansatz; nicht geeignet für Plasmasimulation im Mikrowellenbereich
Magnetischer Feldlöser
(nur PIC-MC)
Boundary Element Method (BEM); direkte Lösung via Gauß‘schem Eliminationsverfahren Stationärer Lösungsansatz für Permanentmagnetanordnungen (Magnetrons, DC-Magnetspulen)
Geometriemodellierung mit Finite-Elemente-Netzen Schnittflächenberechnung für Dreieckselemente in einem regulären Gitter Netzgenerierung mit Open Source Software GMSH
Importschnittstelle für externe CAD Dateien Verwendung der GMSH Importschnittstelle GMSH unterstützt gängige CAD Dateiformate (IGES, STEP, etc.)
Multiskalenansätze Ortsvariable Zellauflösung und Partikelgewichtung Automatische Anpassung zur Laufzeit in Planung
Datenbank mit Wirkungsquerschnitten Fit-Funktionen zu Literaturquellen und experimentellen Daten Daten für komplexe Moleküle (Alq3, HMDSO, CH4, etc.) müssen noch validiert werden