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Strömungsmechanik und Thermodynamik

Die Wissenschaftler des SFB 716 beschäftigen sich mit strömungsmechanischen Prozessen, die über Partikelansätze beschrieben werden. Im Zentrum der Untersuchungen stehen klassische mechanische sowie thermodynamische Systeme.

Von chemischen Verfahren über Medizin- bis hin zur Strömungstechnik

Die Anwendungsgebiete dieses Projektbereiches erstrecken sich von der chemischen Prozess- und Verfahrenstechnik über die Medizin- bis hin zur Strömungstechnik aus dem klassischen Maschinenbau. Die Entwicklung neuer Simulationsmethoden für unterschiedliche Vorgänge aus diesen Bereichen ermöglichen es, diese zu untersuchen, besser zu vertehen und demzufolge zu optimieren.

Beispielsweise wird offenporiges Material für Ionentauscher betrachtet, die unter anderem zur Entsalzung von Wasser dienen. Die Forscher konzentrieren sich auch auf Nanopartikeln, aus denen Nanomaterial für den Einsatz in der Medizin hergestellt wird. Weitere Beispiele sind Nanokristalle, die aktuell bereits in der Ölindustrie als Filter Einsatz finden oder makroskopische Partikel, die zur Schädigung in hydraulischen Maschinen führen.

Bei der Simulation werden Partikelmethoden eingesetzt, bei denen die Systeme meist aus vielen Millionen einzelner Teilchen aufgebaut werden, welche nicht über ein Gitter verbunden sind. Ein einzelnes Partikel bildet dabei einzelne Atome bis hin zu einigen Milliarden Atomen ab. Der Skalenbereich reicht dabei über einen weiten Bereich von der Nano- bis zur Makro-Ebene. Eine Herausforderung ist es, in den unterschiedlichen Skalen mit einer großen Anzahl an Partikeln die Methoden weiter zu entwickeln.

Entwicklung und Erweitern von Methoden sowie Kopplung vorhandener Ansätze

Für solche komplexen Teilchensimulationen müssen neue Methoden entwickelt, bestehende Simulationsansätze erweitert sowie verschiedener partikelbasierter Simulationsmethoden gekoppelt werden. Das ermöglicht das numerische Beantworten hoch komplexer Fragestellungen.

Die Ansätze kommen dabei aus verschiedenen Bereichen, angefangen von der Molekulardynamik bis hin zur klassischen Kontinuumsmechanik. Eine wesentliche Rolle spielt die Suche von benachbarten Partikeln, die Interaktion benachbarter Partikel und die Integration der Partikelbewegung. Abhängig von der Skala und dem verwendeten Ansatz kommen unterschiedliche Methoden zur Suche von Nachbar-Partikeln, Abbildung der Dynamik der Partikel und Integration zum Einsatz.

Große Teilchenzahlen erfordern Parallelisierung und den Einsatz von Großrechnern

Bei den Simulationen werden sehr große Teilchenzahlen dargestellt, welche von normalen Workstations nicht mehr bewältigt werden können. Aus diesem Grund werden die Methoden so entwickelt, dass sie unter der Verwendung verschiedener Konzepte zur Parallelisierung auf Großrechnern wie beispielsweise der CRAY X6 eingesetzt werden können.