Simulation einer Turbulenten Scherschicht mit der Lattice Boltzmann Methode

Allgemeines zum Projekt

Projekttitel: Simulation einer Turbulenten Scherschicht mit der Lattice Boltzmann Methode

Betreuer: Prof. Dr. Dirk Reith, Mario Bedrunka

E-Mail: dirk.reith@h-brs.de / mario.bedrunka@h-brs.de

Start: Sommersemester 2023

Studiengänge:

• Maschinenbau Schwerpunkt Mechatronik
• Maschinenbau Schwerpunkt Virtuelle Produktentwicklung
• Nachhaltige Ingenieurwissenschaft

Kurzbeschreibung

Computersimulationen von Strömungen (Computational Fluid Dynamics - CFD) spielen
eine entscheidende Rolle in vielen ingenieurwissenschaftlichen und physikalischen
Anwendungen. Die Lattice-Boltzmann Methode (LBM) ist in diesem komplexen Fachgebiet
ein modernes Verfahren zur numerischen Strömungsberechnung. Die LBM-Arbeitsgruppe
ist im Fachbereich EMT und im Institut für Institut für Technik, Ressourcenschonung und
Energieeffizienz (TREE) angesiedelt und forscht seit 2012 zusammen mit der Universität
Siegen an der Weiterentwicklung der Methode.
1Wir, die Arbeitsgruppe, entwickeln dazu Software und Methoden, um solche Simulationen
effizient auf Hochleistungsrechnern und Grafikkarten durchzuf ̈uhren. Dazu haben wir in das
Framework ’Lettuce’ entwickelt (https://github.com/lettucecfd/lettuce). Dieses
ist in Python geschrieben und setzt auf Facebooks Machine-Learning Framework PyTorch auf.
Im Hintergrund nutzt der Code jedoch effiziente und vektorisierte Subroutinen, die in C++
und CUDA implementiert sind, sodass GPU beschleunigte Rechnungen durchführbar sind.
Zielgruppe dieser Arbeit sind Studierende, die Interesse im interdisziplinären Bereich
der numerischen Simulation - bestehend aus Elementen des Maschinenbaus, der Physik
und Informatik - besitzen. Im Rahmen dieses Projekts geht es darum, eine turbulente
Scherschicht zu untersuchen. Exemplarisch demonstriert die Abbildung 1 eine turbulente
Zylinderumströmung. Zur Veranschaulichung der Scherschicht lassen sich online einige
Beispiele finden (https://www.youtube.com/watch?v=9SbI7PO6Mtk).
Die Basis dieser Arbeit liegt darin, sich die Grundlagen der Strömungslehre anzueignen,
die zur Untersuchung der Anwendungen ben ̈otigt werden. Dar ̈uber hinaus macht sich
der Studierende mit den Grundlagen der numerischen Methode vertraut, implementiert
eigene Flows und untersucht diese mit der wissenschaftlichen Literatur. Die erarbeiteten und
evaluierten Simulationsmodelle sollen später zur Nutzung in das Framework eingebunden
werden.
Den Studenten wird im Rahmen der Arbeit die Möglichkeit gegeben,
die Lattice-Boltzmann-Methode zu erlernen und gezielt an die Forschung und Entwicklung
auf diesem Gebiet herangef ̈uhrt zu werden. Dar ̈uber hinaus werden Kenntnisse in
der Programmierung, Str ̈omungsmechanik und Softwareentwicklung vermittelt. Bereits
erworbene Programmiererfahrung in Python ist von Vorteil.

Projektphasen

Masterprojekt 1: Befasst sich durch eine Literaturrecherche insbesondere mit der Einarbeitung in die Grundlagen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Dazu soll die fundamentale Theorie der  numerischen Methode verstanden und das Verst ̈andnis des Vorgehens mittels einer ersten Simulation gezeigt werden.  
Hierfür soll eine 2-dimensionale Strömung, Lid-Driven cavity, aufgesetzt und untersucht werden. Der Studierende macht sich dabei auch mit dem Simulationsframework LETTUCE vertraut. Die  Literatur soll daf ̈ur in Hinblick auf geeignete Referenzgrößen untersucht werden. Anhand dieser soll die Simulation evaluiert und validiert werden.

Masterprojekt 2: Die Simulationen von drei dimensionalen Strömungen zur Untersuchung des Strömungsverhaltens spielen eine entscheidene Rolle in der Auslegung moderner Prozesse sowie  Produkte. Die erarbeiteten Modelle sollen hierf ̈ur als Grundlage zur Untersuchung solcher Strömungen dienen. Das Simulationsmodell der 2-dimensionale Hohlraumströmung soll daher auf eine 3-dimensionale Strömung erweitert werden. Hier gilt es zuerst die bereits evaluierten Modelle auf ihre Gültigkeit im drei-dimensionalen Raum zu prüfen. Das Masterprojekt 2 kann in Absprache mit dem Studierenden in Form einer wissenschaftlichen Abhandlung geschrieben werden, wie sie in bekannten Journals zu finden sind.

Masterthesis: Auf den Masterprojekten aufbauend soll die Simulation auf eine drei-dimensionale turbulente Scherschicht erweitert werden. Hier lassen sich verschiedene Turbulenzstatistiken auswerten. Eine Parallelisierung der Simulationsmodelle ermöglicht hierfür detailliertere Simulationen, um später realistische Szenarien untersuchen zu können. Erarbeitete Methoden (Grid-Refinement) sollen zur Evaluierung beitragen.