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Lattice-Boltzmann-Methoden mit freien Oberflächen und deren Anwendung
in der Werkstofftechnologie
Beteiligte
Beschreibung
Die erfolgreiche Herstellung neuer Materialien setzt in den
meisten Fällen die Beherrschung sehr komplexer technologischer
Prozesse voraus. Ein besonders hilfreiches Mittel bildet hierbei
die numerische Simulation. Sie dient sowohl zum Studium der
Prozesskontrolle, als auch zur Erhöhung des Prozessverständnisses.
Dabei gewinnt in den letzten Jahren die Methode der Zellularen
Automaten (ZA) zunehmend an Bedeutung. Zellulare Automaten stellen
eine ideale Methode dar, um physikalische Phänomene zu
modellieren, die bei der Herstellung von Werkstoffen auftreten.
Dazu zählen die Ausbildung von Kornstrukturen oder von Dendriten
bei einer Erstarrung. Spezialformen der ZA, wie die Lattice Gas
oder Lattice Boltzmann Methode (LBM) eignen sich in hervorragender
Weise zur Modellierung von Prozessen, bei denen Strömungen in
komplexen, veränderlichen Geometrien auftreten. Dies sind nun
genau die Situationen, die bei der Herstellung von Metallschaum
oder von Verbundwerkstoffen durch Infiltration von Faser- oder
Pulverpreforms auftreten. Zur Modellierung müssen sowohl beim
Schaum als auch bei den Verbundwerkstoffen freie Oberflächen
beschrieben werden. Für die Beschreibung freier Oberflächen im
Rahmen der LBM in zwei Raumdimensionen wurde in den letzten drei
Jahren am Lehrstuhl WTM erfolgreich ein Algorithmus entwickelt und
implementiert.
Diese erfolgversprechenden Ansätze sollen als Grundlage einer
optimierten, auf drei Raumdimensionen erweiterten Modellierung
übertragen werden. Allerdings führt die Erweiterung auf drei
Raumdimensionen auf einen um den Faktor 1000 - 10000 höheren
Rechenaufwand, der nur mit Hilfe von Höchstleistungsrechnern in
realistischen Zeiten zu bewältigen ist.
Ziel des geplanten Projektes ist es daher, in einem Verbund der
Lehrstühle Werkstoffkunde und Technologie der
Metalle (WTM) und Informatik 10 (LSS) die Übertragung
des Modells auf den HLR herzustellen.
Am Lehrstuhl WTM soll dabei der Schwerpunkt auf der Entwicklung
numerischer 3D Verfahren für die Modellierung von komplexen
dreidimensionalen Problemen mit freien Oberflächen auf der
Grundlage der LBM liegen.
Am LSS sollen Datenstrukturen untersucht und entwickelt werden, die zum
einen an die komplizierten physikalischen Strukturen, z. B. Hohlräume in
Metallschäumen, angepasst sind und zum anderen die vorgegebene Hardware optimal
ausnutzen (verschiedene Kommunikationsarten, Lastbalancierung,
Cache-Hierarchien).
Förderung
In Teil der Projektkosten wird vom
Kompetenznetzwerk für
Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern
(KONWIHR) getragen.
Rechner-Plattformen
Beispielvideos
Alle Visualisierungen entstanden im Rahmen der derzeit laufenden Diplomarbeit
von Herrn Nils Thürey. Die Videos wurden mit einem von ihm implementierten
Raytracer erstellt.
