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Forschungsarbeit

Werkzeuge zur Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen

von Bernhard Gatzhammer (09.01.2009)

Computergestützte Simulation ist, neben Theorie und Experiment, eine maßgebliche Möglichkeit der Erkenntnisgewinnung in Wissenschaft und Technik. Typisches Ziel einer Simulation ist es, ausgehend von einem vereinfachten mathematischen Modell der Wirklichkeit, das Verhalten eines realen physikalischen bzw. technischen Systems am Computer vorher zu berechnen und so Aussagen über die Effektivität und Verlässlichkeit des Systems treffen oder das beobachtete Verhalten des realen Systems besser verstehen zu können. Die Spannweite von Anwendungsgebieten der Simulation ist dabei ständig am Wachsen, einige prominente Beispiele seien hier genannt: Allseits bekannt ist die Wettervorhersage, die durch computergestützte Simulation zu immer verlässlicheren Prognosen gelangt ist. In der Automobilindustrie werden  virtuelle Autos in Crashtests erprobt, um so die Zeit und das Geld eines echten Crashtests zu sparen. Im medizinischen Bereich beginnt man, die Entwicklung von Aneurysmen (permanenten Erweiterungen von Blutgefäßen) durch Simulationen vorherzusagen, um so das Patientenrisiko individuell einschätzen zu können und eventuell nötige, riskante Operationen sinnvoll zu verordnen. Ein Anwendungsgebiet aus dem Bereich der Grundlagenforschung findet man in der Astrophysik, wo die Entstehung ganzer Universen mit Hilfe von Hunderten Millionen von Himmelskörpern auf Höchstleistungsrechnern simuliert wird.

FSW-Simulation eines umströmten Turmes[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: FSW-Simulation eines umströmten Turmes.

Während sich viele Simulationen auf einzelne physikalische Teilgebiete konzentrieren, wie beispielsweise auf das rein mechanische Verhalten eines oder mehrerer Körper, wird immer mehr auch nach Simulationen von Mehrfeldproblemen, also Systemen, die die Einflüsse verschiedener Teilgebiete der Physik miteinbeziehen,  gefragt. Dies bringt uns zum Themengebiet der hier präsentierten Arbeit, die sich mit der rechnergestützten Simulation von Problemen der Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSW) befasst. Fluid-Struktur-Wechselwirkungen vereinen Fluide, Strukturen und deren bidirektionale Wechselwirkungen in einem gemeinsamen Rahmen, wobei wir hier unter Fluiden Flüssigkeiten oder Gase verstehen. Bringt man ein Fluid und eine Struktur zusammen, so beeinflussen sich diese gegenseitig, das heißt das Fluid übt eine Kraft auf die Struktur aus, und die Struktur bestimmt das Strömungsgebiet - man spricht von einer bidirektionalen Wechselwirkung. Anwendungsbeispiele für FSW-Szenarien findet man in der Technik beispielsweise bei allen Arten von umströmten beweglichen oder verformbaren Objekten. Das oben genannte Szenario der Simulation eines Aneurysmas gehört bei entsprechender Behandlung ebenfalls in die Klasse der FSW-Probleme.

Grafik zu der Problematik unterschiedlicher Oberflächenapproximationen der zu koppelnden Simulationsprogramme[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Problematik unterschiedlicher Oberflächenapproximationen der zu koppelnden Simulationsprogramme.

Generell kann man die Ansätze zur Simulation von FSW-Szenarien in die zwei Kategorien  monolithisch und partitioniert einteilen. Während bei monolithischen Ansätzen ein Modell bzw. Simulationsprogramm zur Lösung des gesamten FSW-Problems entwickelt wird, versucht man bei den partitionierten Ansätzen, zwei existierende Simulationsprogramme zu koppeln. Der von uns verfolgte Ansatz ist ein partitionierter, in dem eine Umgebung zur Kopplung eines Fluid-Simulationsprogramms mit einem Struktur-Simulationsprogramm bereitgestellt wird. Da ein Simulationsprogramm normalerweise nicht für die Kopplung mit weiteren Simulationsprogrammen ausgelegt ist, sind Erweiterungs- und Anpassungsarbeiten notwendig. Die besondere Idee hinter dem Ansatz dieser Arbeit ist es, diesen  zu erbringenden Aufwand weitestgehend vom Nutzer der Simulationsprogramme fernzuhalten und in einer bereits fertiggestellten zusätzlichen Software zur Verfügung zu stellen. Zur besonderen Herausforderung wird dieses Vorhaben durch die Vielfalt an existierenden Simulationsprogrammen und Methodiken zur Kopplung von Simulationsprogrammen. Gemeinsame Schnittstellen müssen gefunden und unterstützt werden, Kopplungs-algorithmen müssen einerseits konkret genug sein, um Mehrwert zu liefern, andererseits aber  auch allgemein genug, um auf eine Vielzahl von Simulationsprogrammen anwendbar zu sein.


Bernhard Gatzhammer
* 1983

Stationen
  • Okt. 2002 - Okt. 2006
  • Studium der Mechatronik an der Fachhochschule Regensburg
  • Okt. 2006 – Okt. 2008
  • Studium in Computational Science and Engineering an der TU München
  • Mär. 2007 - Okt. 2008
  • Studium in der Bavarian Graduate School of Computational Engineering
  • seit Okt. 08
  • Ph.D. Stipendiat in der International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE)

Vorträge
  • „A Modular and Efficient Simulation Environment for Fluid-Structure Interactions“, 6th International Conference on Engineering Computational Technology, Athen, 2008
  • „Realization of Partitioned Fluid-Structure Interaction Simulations with FSI*ce and a Cartesian Flow Solver“, International Workshop on Fluid-Structure Interaction, Herrsching, 2008