In der Produktentwicklung spielt die CFD-Simulation eine zentrale Rolle. Mit ihr ist es möglich, Wirkzusammenhänge zwischen Komponenten und in Komponenten zu erarbeiten und die Funktion des Produktes durch Optimierung zu verbessern. Bei hydraulischen Komponenten stehen die Effizienz und die Qualität im Fokus aufwendiger Simulationen. Kommerzielle Software erfüllt die hohen Anforderungen bzgl. Effizienz und Parallelisierung häufig nur unzureichend. Des Weiteren sind parallele Lizenzen sehr kostenintensiv und führen zur Erhöhung von Entwicklungskosten. Durch das Projekt wird die am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart entwickelte moderne Software, FLEXI, für den industriellen Einsatz qualifiziert. Das im Projekt bestehende universitäre Netzwerk ermöglicht in Zukunft den Einsatz der Software im Produktentwicklungsprozess. Durch den OpenSource-Charakter des Löserkerns wird eine Weiterentwicklung des Lösers für spezielle Anwendungen ermöglicht.

Das Projekt HONK

Die numerische Simulation ist heute eine unverzichtbare Methode für sämtliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der Ingenieuranwendungen. Sie wurde zu einer Schlüssel-Technologie für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit neu entwickelter Systeme und trägt damit entscheidend zur Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie bei. Eine ganze Reihe komplexer Strömungsprobleme in den Anwendungen stellen aber immer noch Herausforderungen für heutige und künftige Software-Werkzeuge dar. So müssen zur treffsicheren Auslegung von Fertigungsprozessen und zur Funktionsauslegung hydraulischer Systeme und Komponenten aufwändige Strömungssimulationen eingesetzt werden. Treten bedingt durch die Auflösung unterschiedlicher physikalischer Vorgänge unterschiedliche Zeit- und Raumskalen auf, können oft keine Simulationen in vertretbaren Rechenzeiten durchgeführt werden, die alle wichtigen physikalischen Phänomene einschließen. Der hohe Rechenaufwand der Simulationen lässt hier somit nur eingeschränkte Vorauslegungen zu. Eine Lösung dieser Probleme wird im Projekt HONK erarbeitet. Hierzu wird eine effiziente ganzheitliche Simulationsumgebung für Mehrskalenprobleme erstellt, die gemeinsame Entwicklungen sowohl in physikalischer und numerischer Modellierung als auch in Simulationstechnik, Visualisierung und effizienter Ausnutzung neuer Hardware-Komponenten nötig macht.

FLEXI

Bisherige kommerzielle Rechenprogramme, die im industriellen Umfeld eingesetzt werden, sind für die Berechnung von stationären Standard-Problemen ausgelegt. Durch die Leistungszunahme der Rechnerhardware und die Verfügbarkeit von hochparallelen Systemen rückt aber die Simulation von instationären Multiskalenproblemen immer mehr in den Fokus, auch im industriellen Sektor. Zwar enthalten viele kommerzielle Softwarepakete nachträglich hinzugefügte Erweiterungen für zeitgenaue Auflösung der interessierenden Phänomene, jedoch sind diese Codes aufgrund der zugrundeliegenden Datenstruktur und der Verfahrenswahl nicht in der Lage, höchstparallele Systeme effizient auszunutzen und bringen oft keinen Leistungsgewinn bei Erhöhung der Prozessoranzahl. Dies führt dazu, dass viele instationäre Multiskalenprobleme mit der aktuell verfügbaren Software trotz großer vorhandener Rechner- und Speicherleistung nicht mehr in akzeptabler Zeit lösbar sind. Der FLEXI-Code dagegen wurde von Grunde auf neu speziell für diese Art von Problemen als instationärer, hocheffizienter Code auf HPC-Systemen entwickelt und ermöglicht daher Simulationen von Problemen, die bisher mit kommerzieller Software nicht durchführbar sind.

Die Ziele

Das Ziel dieses Projekts ist die Simulation und Analyse solcher komplexen Strömungen aus Anwendungsfällen, welche mit den heutigen Software-Werkzeugen nicht zufriedenstellend simuliert werden können. Die hier betrachteten komplexen Strömungen enthalten physikalische Phänomene auf unterschiedlichen Orts- und Zeitskalen, wie Phasenübergänge und akustische oder elektro-magnetische Wellen. Die dafür nötige Gesamtsimulation erfordert eine sehr flexible Numerik in Kombination mit einer effizienten Implementierung auf heutigen und zukünftigen Rechnern. Am IAG wurde das Rechenprogramm FLEXI mit einer neuartigen Numerik entwickelt, welche diese Eigenschaften in sich vereint. Zum Einsatz für die Simulation von hochkomplexen, anwendungs-relevanten Mehrskalenproblemen aus der industriellen Entwicklung bedarf es allerdings entscheidender Weiterentwicklungen in verschiedenen Bereichen:

a)     erweiterte physikalische Modellierung für Simulationen,

b)    erweiterte numerische Modellierung und Softwaremodelle,

c)     Verbesserung der Effizienz auf den heutigen und künftigen parallelen Höchstleistungsrechnern,

d)    Entwicklung entsprechender Visualisierungs- und Daten-Management-Methoden und

e)     Übertragung und Validierung an komplexen industriellen Anwendungen.

Die Weiterentwicklung von FLEXI soll so aufgebaut werden, dass die Zustandsgleichung vom eigentlichen Code getrennt als externer Datensatz vorliegt und der eigentliche Strömungslöser als Open-Source-Paket zur Verfügung gestellt werden kann, um so auch die Nachhaltigkeit der Entwicklung zu fördern. Dabei ist FLEXI als kompressibler Strömungslöser in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern einsetzbar und wird augenblicklich in mehreren Forschungsprojekten als zentraler Baustein eingesetzt.

Ziel des Vorhabens ist ein hocheffizient parallelisierter Strömungslöser, der die Simulation von im Projekt definierten Leitanwendungen ermöglicht.

Abbildung zeigt eine CFD Simulation einer Reinigungstechnik bei welcher Kavitation auftritt.