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Strömungslöser FLEXI

Mächtiges Werkzeug für hochauflösende Strömungssimulationen

Die Arbeitsgruppe von Prof. Claus-Dieter Munz hat den Strömungslöser FLEXI entwickelt. Er gilt international als eines der schnellsten und effizientesten Programme, um turbulente Strömungen hochaufgelöst zu simulieren. FLEXI ist erfolgreich in industrienahen Forschungsprojekten eingesetzt worden und liegt inzwischen als Open Source vor.

Außenspiegel beeinflussen nicht nur den Luftwiderstand eines Fahrzeugs sondern auch dessen Lärmemission. Während der Fahrt entstehen an einem solchen Spiegel sehr komplexe Strömungsmuster, die von der Wind- und Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen. In einem gemeinsamen Projekt mit der Audi AG ist die Arbeitsgruppe von Claus-Dieter Munz einem besonders unerwünschten Phänomen nachgegangen, das als Spiegelpfeifen bezeichnet wird. Munz ist stellvertretender Geschäftsleiter des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart und hat dort die Professur für numerische Strömungsmechanik inne, er ist Forschungsleiter im Exzellenzcluster SimTech. Durch die am Spiegel entstehenden akustischen Wellen kann es durch die Wechselwirkung mit der Strömung bei bestimmten Frequenzen zu Resonanzen kommen – was zum Pfeifen des Spiegels führt. „Audi hatte einen Spiegel untersucht, bei dem die Computersimulation der Umströmung kein Spiegelpfeifen aufzeigte, die gefertigten Prototypen bei Tests dagegen sehr wohl“, schildert Munz den Anlass für das gemeinsame Projekt.

Die Ursache für den Widerspruch liegt in der numerischen Simulation: In der Industrie gängige Software ist nicht in der Lage, die komplexen Muster, die bei turbulenten Strömungen entstehen, räumlich und zeitlich ausreichend aufgelöst zu berücksichtigen. Vielmehr arbeiten diese Simulationsprogramme mit gemittelten Werten und einer Modellierung der Turbulenz. „FLEXI dagegen ist in der Lage Large-Eddy-Simulationen durchzuführen, das heißt eine Strömung räumlich und zeitlich lokal aufzulösen“, erklärt Munz. Diese Methode, turbulente Strömungen am Rechner zu simulieren, ist sehr viel aufwändiger, aber auch sehr viel genauer. Sie ermöglicht Einblicke in wesentlich komplexere Strömungsphänomene als gängige Simulationssoftware – zum Beispiel eben in die Ursachen des pfeifenden Spiegels.

Wirbelablösung an der Hinterkante eines Außenspiegels.

Die Simulation dieses Problems führten die Projektbeteiligten am High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) durch. Knapp 3300 Kerne des Cray-Systems XC40 Hornet rechneten dabei mit 44 Millionen Freiheitsgraden pro Variable 12,5 Millionen Zeitschritte. „Das bedeutete eine Nacht Rechenzeit, was gemeinhin noch als akzeptabel für die Industrie gilt“, so Munz. Ergebnis der Simulation: Schuld am Spiegelpfeifen war eine Kante an der Spiegelgeometrie. „Viel wichtiger als das Einzelergebnis ist jedoch der Nachweis, dass Large-Eddy-Simulationen bei Strömungen Ergebnisse liefern, von der die Industrie direkt profitieren kann.“

Dies zeigte sich auch in dem BMBF-Projekt HONK (www.honk-projekt.de), an dem neben IAG und HLRS die Robert Bosch GmbH und das Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart (VISUS) beteiligt waren. Im Rahmen dieses kürzlich beendeten Projekts untersuchten die Partner, ob Large-Eddy-Simulationen für industriell relevante Fragestellungen mit Rechenleistungen machbar sind, wie sie vor Ort der Industrie zur Verfügung stehen. Als Anwendungsbeispiele dienten Dieselströmungen in Einspritzleitungen, die Einspritzung von Erdgas in einen Motor sowie das Entgraten von Bauteilen per Wasserstrahl, ein etabliertes fertigungstechnisches Verfahren. „Wir haben dazu FLEXI auf allgemeine Zustandsgleichungen erweitern müssen, um neben Gasen auch Flüssigkeiten behandeln zu können“, sagt Munz. Dadurch konnten die Projektpartner zum Beispiel kavitierende turbulente Strömungen zeitgenau simulieren, um so auch die Druckwellen bei der Implosion von Kavitationsblasen zu erfassen, was mit kommerziell erhältlichen Programmen bislang nicht machbar ist. Bei der Kavitation bilden sich in einer Flüssigkeit dampfgefüllte Blasen, deren Implosion nahe einer Wand zur Erosion des Materials führen kann. Mit hochaufgelösten Simulationen wie bei HONK lässt sich untersuchen, wie man solche Blasen durch Beeinflussung der Strömung von Bauteilen fernhalten kann, damit sie weniger Schäden verursachen.

„Wichtig ist bei solchen Simulationen aber nicht nur die Berechnung, sondern auch die Visualisierung der Daten“, betont Munz. Das kann man sich leicht veranschaulichen: Wenn eine Simulation zum Beispiel 50.000 Zeitschritte umfasst und dabei für fünf Zustandsgrößen jeweils 17 Millionen Werte berechnet, besteht das Ergebnis aus mehr als vier Billionen Zahlen! „Angesichts dieser Datenmenge ist es wichtig, dass man die Visualisierung bereits parallel zur Rechnung anpasst.“

Bosch war übrigens von den Resultaten des HONK-Projekts sehr angetan. Nicht zuletzt auf Betreiben des Unternehmens ist FLEXI inzwischen Open Source. Bosch hofft, dass dadurch in der Industrie eine breitere Basis für das Simulationsprogramm entsteht, so dass die Weiterentwicklung von FLEXI nicht nur an der Universität Stuttgart erfolgt. Von Forschergruppen an den Universitäten in Köln, München, Bochum und Mailand wird FLEXI schon eingesetzt. In der Arbeitsgruppe Munz am IAG bauen derzeit zehn interne Projekte auf FLEXI auf. In ihnen wollen die Wissenschaftler das Simulationsprogramm auf dem Stuttgarter Höchstleistungsrechner auf turbulente Strömungen anwenden, die sich heute noch nicht zufriedenstellend simulieren lassen. Zudem erweitern sie es auf weitere komplexere physikalische Modelle, etwa auf Mehrphasen- und Mehrkomponentenströmungen, also auf Strömungen, in denen gleichzeitig mehrere Aggregatzustände (gasförmig/flüssig, Kondensation/Verdunstung) vorliegen oder die zum Beispiel aus unterschiedlichen Gasen oder Flüssigkeiten bestehen.

 

Quellcode, Dokumentation und Anwendungsbeispiele: www.flexi-project.org

Von Michael Vogel

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Claus-Dieter Munz