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 kann hier nur die Entwicklung einer effizienten ganzheitlichen Simulationsumgebung für Mehrskalenprobleme darstellen, die gemeinsame Entwicklungen sowohl in physikalischer und numerischer Modellierung als auch in Simulationstechnik, Visualisierung und effizienter Ausnutzung neuer Hardware-Komponenten nötig macht.

Die angestrebte Simulation von Systemen mit vielen Freiheitsgraden auf Höchstleistungsrechnern bringt neben den Herausforderungen an eine angepasste Numerik der Gleichungslöser auch Anforderungen an die Methoden der Analyse und Visualisierung der entstehenden Datenmengen mit sich. Dabei können die aus Discontinuous Galerkin (DG) Verfahren resultierenden Lösungen mittels traditioneller, auf Resampling beruhender, Visualisierungsmethoden nur unzureichend analysiert werden. Es wurden bereits Methoden vorgestellt, welche DG-Daten direkt visualisieren und somit effizienter und genauer sind. Diese Forschungscodes laufen aber bisher nur auf isolierter Grafikhardware parallel. Die hohe raumzeitliche Komplexität und Größe der in diesem Vorhaben angestrebten Simulationsdaten erfordern eine engere Integration von Visualisierung und Simulation, welches auch In-Situ-Visualisierung erlaubt. Dies bedingt neue Strategien zur Lastverteilung zwischen Simulation und Visualisierung sowie neue Visualisierungstechniken für die in diesem Projekt untersuchten spezifischen physikalischen Phänomene. Diese sollen einerseits dem Debugging und der Validierung dienen, andererseits stellen sie in den Anwendungen notwendige Werkzeuge zur Analyse dar.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Munz am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik befasst sich seit vielen Jahren mit der Konstruktion numerischer Verfahren in der Strömungsmechanik, mit Implementierungsfragen und Anwendungen. Die Entwicklungen der letzten Jahre waren Finite- Volumen- und Discontinuous-Galerkin-Verfahren hoher Ordnung auf unstrukturierten Gittern, die zunächst zur Simulation der Schallausbreitung in komplexen Geometrien eingesetzt wurden. In den letzten fünf Jahren wurden beide Klassen von Verfahren auch für kompressible Strömungen weiterentwickelt und insbesondere für die Grobstruktursimulation turbulenter Strömungen untersucht. Im Rahmen des BMBF HPC I Projekts „STEDG: Hocheffiziente und skalierbare Software für die Simulation turbulenter Strömungen in komplexen Geometrien“ wurden diese Verfahren in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH sehr erfolgreich auf Probleme der industriellen Praxis angewandt und zeigten eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit und Effizienz gegenüber kommerziellen Werkzeugen.
Weiterhin wurde im EU Projekt „ADIGMA: A European project on the development of adaptive higher order variational methods for aerospace applications” die Industrialisierung von Verfahren Hoher Ordnung sowie die Anwendung der Rechenprogramme auf Fragestellungen der Aerodynamik untersucht.
Die Zielrichtung der gesamten Rechenprogrammentwicklung war und ist die Approximation von instationären Lösungen in komplexen Geometrien mit expliziten Verfahren und damit der Aufbau eines Rechenprogramms zur direkten numerischen Simulation (DNS) oder Large Eddy Simulation (LES) von turbulenten Strömungen.

Robert Bosch GmbH, Dept. CR/ARF (Strömungsmechanik und Thermodynamik):
Die Abteilung CR/ARF arbeitet seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Simulation und experimentellen Untersuchungen von komplexen Strömungen in hydraulischen Komponenten und Systemen. Die experimentellen Untersuchungen dienen der Identifikation von physikalischen Zusammenhängen dieser komplexen Strömungen. Hierbei handelt es sich um Strömungen mit laminar-turbulenten Umschlag, Mehrphasenströmungen (gasförmig-flüssig, Flüssigkeiten mit Partikeln) und Sprays. Die bei BOSCH angewandten Fertigungsverfahren (hydroerosives Verrunden, Hochdruckentgraten, EDM, ECM) sind komplexe Strömungen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen. Dazu wurden u.a. die digitale Interferometrie, Durchlichtverfahren und Laser induzierte Fluorenzenzverfahren für Mikrogeometrien in Zusammenarbeit mit der AVL Graz entwickelt und erfolgreich zur Untersuchung von komplexen Strömungen in Mikrogeometrien angewandt. Die gewonnenen Ergebnisse dienen der Herleitung von Modellen und der Validierung der Simulationstools.

Die CFD-Simulation wird immer stärker im Produktentwicklungsprozess eingesetzt. Dabei spielen vor allem Parameterstudien (Einfluss von Verrundungen und Länge von Drosseln, Kräfte auf Ventilkörper und Durchfluss) eine zentrale Rolle. Die Simulationen beschränken sich nicht mehr auf Phänomene großer Zeitskalen, sondern beinhalten Prozesse auf sehr kleinen Zeitskalen (Kavitation), die aufgelöst werden müssen. In den letzten Jahren wurden bei CR/ARF in Zusammenarbeit mit dem IAG Universität Stuttgart komplexe Fluidmodelle für ein- und zweiphasige Strömungen entwickelt und in CFD-Codes implementiert. Die Grundlage der Fluidmodelle sind aufwendige Bestimmungen der Fluiddaten wie Dampfdruckkurven, Verdampfungsenthalpien, Luftgehalt und spezifische Wärmekapizität. Diese Daten sind die Grundlage für die bei BOSCH entwickelten Kavitationsmodelle, die ab 2010 im PEP eingesetzt werden. Aufgrund der großen Rechenzeiten werden derzeit nur Strömungen in einzelnen Komponenten für kleine Zeitdauern (ca. 1-4 ms) detailliert untersucht. Diese Zeitdauern sind jedoch zu kurz, um systemrelevante Eigenschaften zu identifizieren.

The High Performance Computing Centre (HLRS) is one of three national computing centers in Germany affiliated to the University of Stuttgart. As such it operates a variety of large computing clusters and provides compute resources to European research groups and industry. The main research interests are in the domain of parallel programming languages, grid computing and cloud computing.

HLRS research and operation focus is oriented towards:

• The operation of supercomputers
• Making HPC available to industry through hww GmbH, a public-private partnership consortium comprising among others the German Telecom and  Porsche AG.
• Teaching and training in distributed systems, software engineering and programming models.
• Cooperation with international partners from industry and research on existing and new technologies such as cloud Computing.

Over the last 20 years HLRS has built up world-leading expertise in supporting end-users, from the engineering domain at large, in parallel programming (for example inside the Teraflop Workbench). It has worked on the development of productivity tools for parallel programming, including integrated development environments. HLRS has significant expertise in applying software engineering methods to the HPC domain. HLRS has been a leading center in Grid and Cloud computing very early on.