Wir tauchen tief ein in die spannende Welt der Computational Fluid Dynamics (CFD) – eine faszinierende Methode, bei der Strömungen um Flugzeuge und Raumschiffe simuliert werden. Aber das ist nicht alles! CFD hilft uns auch, genaue Analysen von Strömungsprozessen in der Erdkruste durchzuführen und effizientere, nachhaltigere Energiesysteme zu entwickeln. Klingt kompliziert? Keine Sorge: wir erklären es Schritt für Schritt und zeigen, wie CFD die Zukunft des Fliegens und der Energiegestaltung revolutioniert!

Hinter Computation Fluid Dynamics (CDF) steckt viel.

Stell dir vor, du könntest den Wind um ein Flugzeug sehen und verstehen, wie es in der Luft agiert. Genau das ermöglicht CFD! Diese fortschrittliche Methode analysiert den Luftstrom und die Bewegungen komplexer Fluggeräte in einer virtuellen Welt. Ein wichtiger Schritt, um fortschrittliche, sichere, effiziente und umweltfreundliche Flugzeuge und Raumschiffe zu entwerfen.

CFD prognostiziert zahlreiche Prozesse, von Wiedereintritten in die Atmosphäre bis hin zu Überschallflügen. Wir verstehen dadurch Wärmeübertragung und optimieren Flugzeugtriebwerke sowie Raumfahrtantriebe für leisere, umweltfreundlichere Flüge. Auch Prozesse wie die Treibstoffeinbringung, Zerstäubung und Verbrennung werden mithilfe von numerischen Methoden optimiert.

Energie und Nachhaltigkeit sind unser Anliegen.

Wir setzen uns für die nachhaltige Nutzung von Umwelt- und Wasserressourcen ein. Da zahlreiche Systeme in ihrem Verhalten Wasser- und Umweltsystemen ähneln, wenden wir die gleichen Forschungsmethoden auf technische und biologische Systeme an – von Energiespeichern bis hin zu biologischen Geweben. CFD ist ein wertvolles Werkzeug in der Energieforschung. Es optimiert Windturbinen-Designs, verbessert thermische Energiespeicher und trägt zum Verständnis komplexer Prozesse in Brennstoffzellen bei. Effiziente, nachhaltige Energiesysteme sind unser Ziel.

Unser Team besteht aus Mathematiker*innen, Physiker*innen und Ingenieur*innen. Wir simulieren, experimentieren in Labors wie dem Poröse-Medien-Labor (PML) und dem Mehrphasen-Labor (MFL) und sind Expert*innen in Datenanalyse. Wir entwickeln Algorithmen und leistungsstarke Codes wie FLEXI (eine aerodynamische Hochleistungssoftware, entwickelt am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, IAG), FS3D (für komplexe Strömungen und Phasenwechsel, entwickelt am Institut für Thermodynamik in der Luft- und Raumfahrt, ITLR), DUMUX (für Strömungen in porösen Materialien und Porennetzwerke, entwickelt am Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, IWS) sowie HOOMD-blue (für poröse Materialien und spezielle Simulationsmethoden, entwickelt am Institut für Mechanik, MIB).

Mehrskalen-, Mehrphasen-, Multiphysikalische Strömungen treten in vielen natürlichen Systemen und technischen Anwendungen auf. Beispiele für diese komplexen Strömungsphänomene finden sich in zahlreichen Bereichen, z. B. in Flugzeugtriebwerken, wo die Wechselwirkung von Treibstoff und Luft unter hohen Drücken und Temperaturen (überkritisch) von zentraler Bedeutung ist. Sie sind ebenso relevant in Brennstoffzellen, bei der unterirdischen Wasserspeicherung und bei der Wasserstoffspeicherung, wo eine präzise Kontrolle und das Verständnis der Fluideigenschaften auf verschiedenen Skalen entscheidend für die Effizienz und Sicherheit dieser Technologien ist.

Entwicklung von Hochleistungsprogrammen

Wir fokussieren uns auf die Entwicklung und Verbesserung von Algorithmen und Lösungsmethoden, die sowohl für Einzel- als auch Mehrphasenströmungen angewandt werden können. Die von uns entwickelten Computerprogramme sind hoch skalierbar auf CPU und GPU, was eine effiziente Simulation von komplexen Strömungsproblemen ermöglicht. Unter Verwendung von fortschrittlichen Methoden wie der Discontinuous-Galerkin- (DG), der Smoothed-Particle-Hydrodynamics- (SPH) und der Volume-of-Fluid- (VoF) Methode leisten wir einen signifikanten Beitrag zur Erweiterung des Verständnisses der physikalischen Prozesse und zur Verbesserung der Genauigkeit und Effizienz strömungsmechanischer und thermodynamischer Simulationen.

Entdeckung neuer physikalischer Zusammenhänge bei Fluiden

Wir untersuchen komplexe Phänomene wie Tropfenbildung, Tropfenaufprall, Phasenwechsel, Mehrphasenströmungen in porösen Medien und Spraydynamik sowie die Dynamik der Strömung in Porennetzwerken. Durch die Anwendung fortschrittlicher Algorithmen und hochskalierbarer Lösungsmethoden sind wir in der Lage, diese komplexen Prozesse zu simulieren und zu analysieren. Unsere Arbeit ermöglicht es uns, neue physikalische Zusammenhänge zu erkennen und dadurch das Verständnis der Strömungsmechanik weiter zu vertiefen.

Erstellung genauer Modelle

Hierbei liegt unser Fokus insbesondere auf datengetriebener Turbulenz-modellierung, der Modellierung von Phasenwechseln und der Modellierung von Porennetzwerken. Mithilfe moderner Modellierungstechniken können wir diese komplexen Phänomene präzise abbilden und deren Dynamik verstehen. Unsere datengetriebene Turbulenzmodellierung ermöglicht es uns, die chaotischen und schwer vorhersehbaren Muster von Strömungen präziser zu beschreiben.

Experimentelle Untersuchungen

Der Entwurf und Aufbau von Experimenten ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit, und hierfür haben wir zwei spezialisierte Laboratorien eingerichtet: das Porous Media Lab (PML) und das Multiphase Flow Lab (MFL). In beiden Laboren nutzen wir modernste Messtechniken und -instrumente, um hochgenaue Daten zu sammeln. Diese dienen dazu, unsere theoretischen Modelle und Simulationen zu überprüfen und zu verfeinern. Durch diese praxisnahen Untersuchungen können wir das theoretische Wissen der Fluidphysik mit den realen Gegebenheiten verknüpfen und so die Genauigkeit und Vorhersagekraft unserer Arbeit weiter verbessern.