Projekte

Projektverzeichnis

Projekttitel	Projektleiter	Laufzeit	Förderung
ExtremSimOpt: Modellierung, Simulation und Optimierung von Strömungsvorgängen unter Extrembedingungen	Stefan Turek	3 Jahre (laufend)	BMBF
Skalierbare, rekursiv konfigurierbare, massiv-parallele FEM-Mehrgitterlöser für heterogene Rechnerarchitekturen - Design, Analyse und Realisierung in FEAST mit Anwendung in der Strömungsmechanik	Stefan Turek Dominik Göddeke	3 Jahre (laufend)	DFG
Asynchrone und fehlertolerante parallele Mehrgitterverfahren für zukünftige HPC-Rechner	Dominik Göddeke	1 Jahr (laufend)	MERCUR
Hydrodynamik für feuchte Partikelsysteme - Modellierung, Simulation und Validierung mittels mikro- und makroskopischer Zugänge	Stefan Turek	3 Jahre (laufend)	DFG/STW
EXA-DUNE: Flexible PDE Löser, Numerische Methoden und Anwendungen	Stefan Turek Dominik Göddeke	3 Jahre (laufend)	DFG
Modellierung und numerische Simulation von Beschichtungsvorgängen mittel thermischer Spritztechnik	Stefan Turek Matthias Möller	4 Jahre; 4 Jahre (laufend)	DFG
Lattice-Boltzmann-Methoden für skalierbare Multi-Physik-Anwendungen	Stefan Turek	3 Jahre (abgeschlossen)	BMBF
Geometrieverarbeitung für die Virtuelle Realisierung produktionstechnischer Prozesse	Stefan Turek	4 Jahre (laufend)	DFG
Hierarchische Lösungskonzepte in der optimalen Strömungskontrolle	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr; 3 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Numerische Simulation zur Herstellung monodisperser Tropfen in pneumatischen Ziehdüsen	Stefan Turek	2 Jahre; 2 Jahre; 2 Jahre (laufend)	DFG
Herleitung und Realisierung von hochauflösenden FEM-Diskretisierungsverfahren und effizienten iterativen Lösern zur numerischen Simulation von konvektionsdominanten Strömungen	Dmitri Kuzmin	2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Nichtkonforme Finite Elemente höherer Ordnung: Diskretisierung, Schnelle Löser und Anwendung im Bereich Computational Fluid Dynamics	Stefan Turek	3 Jahre (laufend)	DFG
Herleitung und Realisierung von Methoden zur a posteriori Gitteradaption für hochauflösende Finite-Elemente-Diskretisierungen mit Anwendung auf kompressible Gasströmungen	Dmitri Kuzmin	1 Jahr; 2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Effiziente FEM-Diskretisierungstechniken und Schnelle Löser für gekoppelte Feststoff-Fluid Probleme in geotechnischen Herstellungsprozessen auf der Basis der Theorie Poröser Medien (TPM)	Stefan Turek	2 Jahre (laufend)	DFG
Effiziente Simulationstechniken für robuste Least-Squares FEM in der Fluiddynamik	Stefan Turek	1,5 Jahre (laufend)	MERCUR
Entwicklung und Validierung eines Simulationsansatzes zum Entgraten mikrostrukturierter Formgedächtnisbauteile durch Abrasivwasserstrahlen	Stefan Turek	1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Fictitious Boundary Methoden für mehrphasige Strömungsprobleme mit Feststoffpartikeln	Stefan Turek	2 Jahre (laufend)	DFG
Monolithische ALE-Verfahren und gekoppelte Mehrgitterlöser für Fluid-Struktur-Wechselwirkung	Stefan Turek	2 Jahre, 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Experimentelle Untersuchung des Verweilzeitverhaltens in Mikroreaktoren - Einfluss verschiedener Geometrien	Stefan Turek	2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Effiziente Numerik nicht-isothermer hochviskoser Mehrphasenströmungen zur Simulation des Herstellungsprozesses gradierter Mikroschäume	Stefan Turek	4 Jahre; 4 Jahre (laufend)	DFG
Level-Set-Methoden für inkompressible Strömungen mit freien Grenzflächen	Dmitri Kuzmin	3 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Numerische Techniken für partikelbehaftete inkompressible Strömungen	Stefan Turek	3 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Effiziente Löser für generalisierte inkompressible Strömungsprobleme mit besonderem Schwerpunkt auf Druck-Schurkomplementtechniken zu linearisierten Navier-Stokes-Gleichungen und Erweiterungen	Stefan Turek	2 Jahre, 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG/RFBR
Entwurf, Analyse und Realisierung von mathematischen Methoden und High Performance Computing Techniken	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr; 2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Herleitung, Analyse und Realisierung von numerischen Diskretisierungstechniken und effizienten Lösern für Lattice Boltzmann Methoden	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Numerische Simulation von heterogen-homogen gekoppelten Reaktionen bei der Hochtemperaturkatalyse in einem Strömungsumkehrreaktor	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG
Effiziente FEM-Diskretisierungen und Mehrgitter-Löser für mehrphasige Strömungen unter besonderer Berücksichtigung von Blasensäulenreaktoren	Stefan Turek	2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Analyse und Nachbearbeitung von räumlich und zeitlich komprimierten Strömungsrechnungen	Stefan Turek	2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Keramische Plattenwärmeaustauscher und katalytisch beschichtete keramische Wandreaktoren als Mikroreaktoren für heterogen katalysierte Synthesereaktionen	Stefan Turek	3 Jahre (abgeschlossen)	BMBF
Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen	Stefan Turek	1 Jahr; 6 Monate (abgeschlossen)	DFG
Effiziente numerische Simulation der Fließvorgänge granularer Medien auf der Basis von Stoffmodellen	Stefan Turek	2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)	DFG
Effiziente FEM-Simulationen zur Optimierung von industriellen Gas-Flüssigkeits-Reaktoren	Stefan Turek	3 Jahre (abgeschlossen)	BMBF
Konzepte und Realisierung von Adaptivität, Fehlerkontrolle und schnellen Lösern bei FEM-Diskretisierungen unter besonderer Berücksichtigung von moderner Prozessorarchitektur	Stefan Turek	2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)	DFG

ExtremSimOpt: Modellierung, Simulation und Optimierung von Strömungsvorgängen unter Extrembedingungen

Laufzeit: 3 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Rolf Rannacher, Prof. Dr. Thomas Richter (Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg); Prof. Dr. Boris Vexler, Dr. Dominik Meidner (Technische Universität München)
Förderung: BMBF
Projektmitarbeiter: Mudassar Razzaq
Förderkennzeichen: D-11-41376-001-011041
Beschreibung: Ziel dieses gemeinsamen Projekts von Arbeitsgruppen der Universitäten Heidelberg, Dortmund und München ist die Entwicklung von effizienten numerischen Methoden zur Modellierung, Simulation und Optimierung von Multiphysik-Prozessen unter Extrembedingungen.

Ein prototypisches Anwendungsproblem in Zusammenarbeit mit Rockwell Collins Deutschland (RCD) ist die Schmierfilmdynamik in Höchstleistungskugellager zum Einsatz in der Satellitentechnik. Eine weitere (und im Bezug auf die zugrunde liegenden Gleichungen ähnliche) Anwendung tritt bei der zur Untersuchung von thermischen Fluid-Struktur Interaktionen in Wärmetauschern auf, wie sie beim Projektpartner P+Z Engineering für den Automobilbereich entwickelt werden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts werden unmittelbar in die internen Entwicklungsumgebungen bei RCD und P+Z Engineering einfließen, um deren zukünftigen Anforderungen an Simulation und Optimierung gerecht werden zu können.

Die betrachteten Systeme sind hochkomplex, einerseits durch die Kopplung verschiedener physikalischer Modelle und andererseits durch extreme Problemparameter, wie starken Skalenunterschieden und nichtlinearem Materialverhalten. Teilweise müssen geeignete Modelle mit Hilfe von Parameterschätzung aus experimentellen Daten gewonnen werden.

Das Projekt ExtremSimOpt wird im Rahmen der BMBF-Ausschreibung "Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistungen" im Zeitraum 2013 bis 2016 gefördert.
Veröffentlichungen: Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Numerical simulation of polymer film stretching, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 485, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Skalierbare, rekursiv konfigurierbare, massiv-parallele FEM-Mehrgitterlöser für heterogene Rechnerarchitekturen - Design, Analyse und Realisierung in FEAST mit Anwendung in der Strömungsmechanik

Laufzeit: 3 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Dominik Göddeke
Förderung: DFG
Förderkennzeichen: D-11-41385-001-011041 D-11-41384-001-011049
Beschreibung: In diesem Gemeinschaftsantrag werden numerische Methoden für massiv-parallele Mehrgitterverfahren für Finite Elemente Diskretisierungen variabler Ordnung untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei auf Techniken, die Robustheit und eine gleichmäßige Skalierbarkeit auf modernen heterogenen Rechnerarchitekturen erlauben, d.h. insbesondere auf hybriden Systemen aus konventionellen CPU-artigen Prozessoren kombiniert mit Durchsatz-optimierten Beschleunigertechnologien wie Grafikprozessoren (GPUs). Das Ziel der gleichmäßigen Skalierbarkeit ist hierbei sehr anspruchsvoll und umfasst die Aspekte der numerischen Skalierbarkeit (Konvergenzraten unabhängig von Problemgröße und Partitionierung), die Minimierung oder gar Vermeidung sequentieller Komponenten auf allen Parallelitätsebenen hybrider Systeme, die gleichmäßige Auslastung aller Rechenressourcen und die numerisch stabile und robuste asynchrone und fehlertolerante parallele Ausführung. Darüber hinaus werden neue numerische Methoden simultan mit passenden Implementierungstechniken entwickelt und analysiert (Hardware-orientierte Numerik), um für ein breites Anwendungsfeld innerhalb der Strömungsmechanik gleichermaßen numerisch, parallel als auch Hardware-effiziente Diskretisierungs- und Lösungsverfahren bereitzustellen. Die gemeinsamen Arbeiten fließen sowohl in eigenständige breit nutzbare Bibliotheken als auch vor allem in die gemeinsame FEAST Software ein, die in den letzten Jahren intensiv weiterentwickelt wurde, so dass eine numerisch robuste, skalierbare und rekursiv konfigurierbare Methodik für massiv-parallele Mehrgitterverfahren auf heterogenen Rechnerarchitekturen realisiert und analysiert werden kann.
Veröffentlichungen: Geveler, M.; Ribbrock, D.; Venetis, I.; Goumas, G. Porting FEASTFLOW to the Intel Xeon Phi: Lessons Learned, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 510, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Geveler, M.; Ribbrock, D. FFF2: Future-proof High Performance Numerical Simulation for CFD with FEASTFLOW (2), Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 512, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Geveler, M. Fundamentals of a numerical cloud computing for applied sciences - Preparing cloud computing for ``Simulation-as-a-Service``, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 555, 2017 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Paul, J. Preconditioning for hyperelasticity-based mesh optimisation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 573, 2017 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Asynchrone und fehlertolerante parallele Mehrgitterverfahren für zukünftige HPC-Rechner

Laufzeit: 1 Jahr (laufend)
Projektleiter: Dominik Göddeke
Förderung: MERCUR
Projektmitarbeiter: Peter Zajac
Förderkennzeichen: D-11-41322-001-011049
Beschreibung: Moderne Rechnersysteme sind zunehmend heterogener, paralleler, dynamischer und unzuverlässiger. Um ihre potentielle Rechenkraft effizient ausnutzen zu können, muss die zugrundeliegende numerische und algorithmische Methodik explizit angepasst und erweitert werden. Im Fokus dieses Vorhabens steht die numerische Simulation von partiellen Differentialgleichungen, und hier vor allem die Kombination von Finite Elemente Methoden mit hierarchischen Mehrgitterverfahren. Verfahren dieses Typs dominieren oft die Rechenzeit in modernen, schnellen und hochgenauen Simulationsmethoden für Anwendungen aus der Kontinuumsmechanik. Nachdem in den vergangenen Jahren schon starke Fortschritte im Bezug auf gleichmäßige Skalierbarbeit, feingranulare Parallelisierung (GPU-Beschleunigung) und Effizienz erzielt werden konnten, sollen nun die noch komplexeren Probleme der Fehlertoleranz, Asynchronität und Kommunikationsvermeidung in Angriff genommen werden: Fehlertoleranz bei partiellen Hardwareausfällen soll direkt in robustere numerische Methodik integriert werden, und das dramatisch zunehmende Missverhältnis zwischen reiner Rechengeschwindigkeit und dem heterogenen Datentransport zwischen verschiedenen Speicherebenen erfordert substantielle Forschungsarbeiten, um gleichzeitig flexible und hocheffiziente Lösungsmethoden zur Verfügung zu haben. Alle Implementierungsarbeiten fließen in Open-Source Software ein und stehen somit einem großen Anwenderkreis zur Verfügung.
Veröffentlichungen: Göddeke, D. Exascale techniques for Numerics for PDEs (Part II), Report from Dagstuhl Seminar 13381, 115, Algorithms and Scheduling Techniques for Exascale Systems, Dagstuhl Publishing, http://dx.doi.org/10.4230/DagRep.3.9.106, 2013 [BibTeX]
Göddeke, D.; Ribbrock, D.; Altenbernd, M. Fault-tolerant finite-element mutligrid algorithms with hierarchically compressed asynchronous checkpointing, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 522, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Ribbrock, D.; Altenbernd, M. Fault-tolerant finite-element multigrid algorithms with hierarchically compressed asynchronous checkpointing, Parallel Computing, 49, 117-135, ISSN: 0167-8191; doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.parco.2015.07.003, 2015 [BibTeX]

Hydrodynamik für feuchte Partikelsysteme - Modellierung, Simulation und Validierung mittels mikro- und makroskopischer Zugänge

Laufzeit: 3 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schwarze (TU Bergakadmie Freiberg); Prof. Dr. Stefan Schwarze (Universiteit Twente, NL)
Förderung: DFG/STW
Projektmitarbeiter: Abderrahim Ouazzi
Förderkennzeichen: D-11-41190-001-011041
Beschreibung: Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Beschreibung der (makroskopischen) Hydrodynamik von feuchten Partikelsystemen auf der Basis von mikroskaligen Stoffparameter. Die wesentlichen Ziele des Projektes lauten:

(I) Entwicklung von konstitutiven Gleichungen für die Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, speziell für feuchte granuläre Materialien.

(II) Herleitung von Stoffparametern in den konstitutiven Gleichungen mittels der Diskrete-Elemente-Methode (DEM.

(III) Validierung der Mikro-Makro-Übergangsbereiche mittels geeigneten Prinzipexperimenten.

(IV) Entwicklung neuer und effizienter makroskopischer Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung auf realistische Modellkonfigurationen.

Dieses Projekt basiert auf der Hypothese, daß die makroskopischen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen in Form von mathematischen Gleichungen für verallgemeinerte Modellen Strömungsmechanik formuliert werden können, in denen die Modellparameter von lokalen Strömungsparametern abhängen, wie z.B. Dichte, Druck, Scherrate oder Volumenanteile der benetzenden Flüssigkeitsphase und der Feststoffpartikel.
Veröffentlichungen: Ouazzi, A.; Turek, S.; Nickaeen, M.; Waseem, M. Newton-Multigrid Least-Squares FEM for S-V-P Formulation of the Navier-Stokes Equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 486, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Towards a monolithic multiphase flow solver via surface stress-based formulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 518, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Mandal, S. A modified Newton-type solver for yield stress fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 532, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

EXA-DUNE: Flexible PDE Löser, Numerische Methoden und Anwendungen

Laufzeit: 3 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Dominik Göddeke
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Peter Bastian (Universität Heidelberg); Dr. Olaf Ippisch (Universität Heidelberg); Prof. Dr. Mario Ohlberger (Universität Münster); Jun.-Prof. Dr. Christian Engwer (Universität Münster); Prof. Dr. Oleg Iliev (Fraunhofer ITWM und TU Kaiserslautern)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Markus Geveler Peter Zajac
Förderkennzeichen: D-11-41236-001-011041 D-11-41235-001-011049
Beschreibung: Ziel dieses interdisziplinären Projekts ist die Entwicklung, Implementierung und Optimierung von numerischen Algorithmen und Softwarekonzepten, die die effiziente Lösung partieller Differentialgleichungen (PDEs) auf Exascale-Rechnern mit ihren massiv parallelen und potentiell heterogenen Hardwarearchitekturen ermöglichen. Da die Lebenserwartung von Software zur Lösung von PDEs üblicherweise diejenige der Hardware von High-Performance-Computern weit übersteigt, müssen die entwickelten Softwarekomponenten flexibel sein und zugleich die Hardware optimal ausnutzen. Die Kombination der langjährigen Erfahrung von Entwicklern aus den Open-Source Projekten DUNE und FEAST bietet dafür eine ideale Grundlage. Das DUNE Framework zur Lösung partieller Differentialgleichungen ist eine Plattform, bei der die Verwendung von State-of-the-Art Programmiertechniken zu großer Flexibität bei hoher Effizienz führt, von der eine stetig wachsende Nutzerzahl profitiert. Durch die Übernahme von Hardware-orientierten numerischen Verfahren aus dem FEAST-Projekt wird die optimale Ausnutzung der Rechenkapazität der lokalen (heterogenen) Rechenknoten (entweder Multicore CPUs oder spezielle Beschleunigereinheiten, z.B. GPUs) ermöglicht. Die dabei notwendigen Anpassungen wesentlicher Komponenten an die Hardware erfordern dann bei DUNE basierten Anwendungen nur minimale Änderungen am Programmcode. Durch die Einführung eines Hardware-Abstraction-Layers werden notwendige Anpassungen zur Übersetzungszeit eingefügt. Neben den großen Vorteilen die sich aus einer Integration der individuellen Stärken von DUNE und FEAST ergeben, werden moderne lokalisierte Spektralmethoden (z.B. diskontinuierliche Galerkinverfahren hoher Ordnung), adaptive Mehrgitterverfahren und hybrid parallele Gitter zu einer Erhöhung der Skalierbarkeit beitragen. Multi-level Monte Carlo-Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten und Mehrskalentechniken fügen eine zusätzliche Schicht grob granularer Parallelität hinzu, da hier viele schwach gekoppelte Teilprobleme gelöst werden müssen. Dies ist notwendig, um die EXADUNE Toolbox Schritt für Schritt ausgehend vom Petascale- auf Exascale-Niveau anzuheben. Die neu entwickelten Methoden werden zur Lösung von Problemen aus dem Bereich der Simulation von Transportprozessen in porösen Medien (Brennstoffzellen, CO2-Sequestrierung, Wassertransport in großen Einzugsgebieten) verwendet, die sogenannte "Grand Challenge" Probleme mit hoher Bedeutung für die Gesellschaft darstellen.
Veröffentlichungen: Zajac, P. Assembling Adjacency Relations for the Finite Element Method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 476, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D. Exascale techniques for Numerics for PDEs (Part II), Report from Dagstuhl Seminar 13381, 115, Algorithms and Scheduling Techniques for Exascale Systems, Dagstuhl Publishing, http://dx.doi.org/10.4230/DagRep.3.9.106, 2013 [BibTeX]
Turek, S. Exascale techniques for Numerics for PDEs (Part I), Report from Dagstuhl Seminar 13381, 126, Algorithms and Scheduling Techniques for Exascale Systems, Dagstuhl Publishing, http://dx.doi.org/10.4230/DagRep.3.9.106, 2013 [BibTeX]
Zajac, P. Restricted Element-Wise Projection for the Finite Element Method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 490, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Ribbrock, D.; Müthing, S. Integrating multi-threading and accelerators into DUNE-ISTL, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 492, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Safi, A. GPGPU-based rising bubble simulations using a MRT lattice Boltzmann method coupled with level set interface capturing, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 508, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Geveler, M.; Ribbrock, D.; Venetis, I.; Goumas, G. Porting FEASTFLOW to the Intel Xeon Phi: Lessons Learned, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 510, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Safi, A. Efficient computations for high density ratio rising bubble flows using a diffused interface, coupled lattice Boltzmann-level set scheme, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 513, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Ribbrock, D.; Altenbernd, M. Fault-tolerant finite-element mutligrid algorithms with hierarchically compressed asynchronous checkpointing, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 522, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Ribbrock, D.; Altenbernd, M. Fault-tolerant finite-element multigrid algorithms with hierarchically compressed asynchronous checkpointing, Parallel Computing, 49, 117-135, ISSN: 0167-8191; doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.parco.2015.07.003, 2015 [BibTeX]
Turek, S.; Geveler, M. Fundamentals of a numerical cloud computing for applied sciences - Preparing cloud computing for ``Simulation-as-a-Service``, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 555, 2017 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Modellierung und numerische Simulation von Beschichtungsvorgängen mittel thermischer Spritztechnik

Laufzeit: 4 Jahre; 4 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Matthias Möller
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Marcel Gurris Otto Mierka Christian Kühbacher
Förderkennzeichen: 6007020701 F-11-49500-207-011041
Beschreibung: Die integrierte Modellierung und Simulation von Beschichtungsprozessen auf der Basis des Thermischen Spritzens, insbesondere für komplexe Geometrien mit freigeformten Oberflächen, stellt aufgrund der Mehrskaligkeit und hohen Komplexität der beteiligten Teilprozesse eine hohe Herausforderung für Werkstoffwissenschaften, Mathematik und Wissenschaftliches Rechnen dar, insbesondere wenn eine genaue Vorhersage der Substrateigenschaften gefordert ist. Gerade zur Auflösung der kleinskaligen Mikrostrukturen in Ort und Zeit, die für das Makroverhalten der Beschichtung verantwortlich sind, sind moderne und sehr leistungskräftige Methoden aus Numerik, Informatik und Statistik im Zusammenspiel mit ingenieurwissenschaftlichem Wissen und experimentellen Arbeiten notwendig, vor allem wenn ein detailliertes Verständnis der ablaufenden Mechanismen erforderlich ist. Das Teilprojekt B7 verfolgt das Ziel, die Grundlagen für die integrierte Modellierung und Simulation von Beschichtungsprozessen mittels thermischer Spritztechnik zu entwickeln und auf der Basis der Open Source CFD-Software FEATFLOW effiziente Simulationswerkzeuge für Freiformflächen innerhalb des SFBs zu realisieren. Dabei wird in der ersten Phase der gesamte Beschichtungsprozess durch die beiden Teilprozesse "Partikel-Gasströmung von der Düse zum Substrat" und "Tröpfchen-Substrat Interaktion mit Erstarrung" beschrieben werden, die zusammen die Grundlage für ein statistisches Mikro-Makro-Modell für die Schichtbildung liefern, womit Mikrostruktur, Morphologie, Dichte und Haftzugfestigkeit der Spritzschicht, Temperatur, Porosität und somit die globalen Materialeigenschaften simuliert werden können. Hauptaufgabe dieses Teilprojektes als zentrales Numerikprojekt für Thermisches Spritzen ist die Untersuchung und Entwicklung von mathematischen Modellen und numerischen Simulationstechniken für das grundlegende Verständnis der Beschichtungsvorgänge innerhalb des SFBs. Die konkrete Aufgabenstellung und deren Lösung ergibt sich in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen (TP A1, A2, B3) wie auch methodischen Teilprojekten (TP B1, B5, B6) zu Beschichtungsvorgängen, wobei insbesondere mit den experimentellen Gruppen bez. der Modellierung der Teilprozesse, Erfassung der relevanten Prozessparameter, der Steuerung und Diagnostik der Beschichtungseinrichtung und der Verfestigung durch Walzprozesse kooperiert wird.
Veröffentlichungen: - Fyler zum 6. Kolloquium zum SFB708, Projektberichte, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Proposal for quantitative benchmark computations of bubble dynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 351, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M.; Tillmann, W.; Vogli, E.; Abdulgader, M. Particle trajectories by arc spraying with cored wires, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 363, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Mathematical and numerical analysis of a robust and efficient grid deformation method in the finite element context, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 365, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. A new multilevel grid deformation method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 372, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M.; Tillmann, W.; Vogli, E.; Abdulgader, M. Particle behaviour during arc spraying with cored wires, Journal of Thermal Spray Technology, 17, 5--6, 966--973, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Mathematical and numerical analysis of a robust and efficient grid deformation method in the finite element context, SIAM J. Sci. Comput., 31, 2, 1539--1557, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Quantitative benchmark computations of two-dimensional bubble dynamics, Int. J. Num. Meth. Fluids, 60, 11, 1259-1288, doi: 10.1002/fld.1934, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Finite Element Simulation of Compressible Particle-Laden Gas Flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 388, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. A new multilevel grid deformation method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 390, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Finite Element Simulation of Compressible Particle-Laden Gas Flows, J. Comp. Appl. Math., 12, 233, 3121-3129, 2009 [BibTeX]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Numerical analysis and implementational aspects of a new multilevel grid deformation method, Appl. Num. Math., 60, 8, 767-781, doi:10.1016/j.apnum.2010.03.017, 2010 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Shadid, J.; Shashkov, M. Failsafe flux limiting and constrained data projections for systems of conservation laws, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 407, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Shadid, J.; Shashkov, M. Failsafe flux limiting and constrained data projections for systems of conservation laws, J. Comput. Phys., submitted, 2010 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. A Newton-like Finite Element Scheme for Compressible Gas Flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 408, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. A Newton-like Finite Element Scheme for Compressible Gas Flows, Comp. Fluids, 46, 1, 245-251, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Turek, S.; Cai, M. Numerical Studies of Time Dependent Ginzburg-Landau Model by FEM with Moving Grid Deformation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 409, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. A high order 3D FEM-Level Set approach for multiphase flow with application to monodisperse droplet generation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 411, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Implicit Finite Element Schemes for the Stationary Compressible Euler Equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 414, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Implicit Finite Element Schemes for Stationary Compressible Particle-Laden Gas Flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 415, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Implicit Finite Element Schemes for the Stationary Compressible Euler Equations, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 69, 1, 1-28, DOI; 10.1002/fld.2532, 2010 [BibTeX]
Hysing, S. Mixed finite element level set method for numerical simulation of immiscible fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 425, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S. Evaluation of CFD codes on a two-phase flow benchmark reference test case, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 427, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Gurris, M. Implicit finite element schemes for stationary compressible particle-laden gas flows, J. Comp. Appl. Math., 235, 17, 5056-5077, 2011 [BibTeX]
Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Benchmark Computations of 3D Laminar Flow Around a Cylinder with CFX, OpenFOAM and FeatFlow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 433, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 437, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Computational Methods in Applied Sciences, Vol. 27, 65-91, Numerical methods for differential equations, optimization, and technological problems, Springer, ISBN 978-94-007-5287-0, 2013 [BibTeX]
Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Benchmark Computations of 3D Laminar Flow Around a Cylinder with CFX, OpenFOAM and FeatFlow, International Journal of Computational Science and Engineering, 7, 3, 253-266, 2012 [BibTeX]
Hysing, S.; Turek, S. Evaluation of commercial and academic CFD codes for a two-phase flow benchmark test case, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 449, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Mierka, O.; Damanik, H. Numerical simulation of mondisperse droplet generation in nozzles, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 452, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Möller, M.; Turek, S.; Kühbacher, C. Ein dG-FEM-Verfahren zur Lösung der Konvektions-Diffusionsgleichung mit Hilfe von Mehrgitterverfahren, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 459, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Möller, M. Algebraic flux correction for nonconforming finite element discretizations of scalar transport problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 464, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Möller, M. Algebraic flux correction for nonconforming finite element discretizations of scalar transport problems, Computing, accepted, 2012 [BibTeX]
Möller, M.; Rivkind, L.; Turek, S.; Razzaq, M. Efficient Simulation and Optimization of Rotationally Symmetric, Converging-Diverging de Laval Nozzles for Twin Wire Arc Spraying, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 481, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Rivkind, L.; Mierka, O.; Gorb, Y. Finite element simulation of three-dimensional particulate flows using mixture models, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 484, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Theis, T.; Schöppner, V.; Herken, T. Mesh Deformation Based Finite Element - Fictitious Boundary Method (FEM-FBM) for the Simulation of Twin-screw Extruders, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 509, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Theis, T.; Schöppner, V.; Herken, T. Mesh Deformation Based Finite Element - Fictitious Boundary Method (FEM-FBM) for the Simulation of Twin-screw Extruders, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., submitted, 2014 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Towards a monolithic multiphase flow solver via surface stress-based formulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 518, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Lattice-Boltzmann-Methoden für skalierbare Multi-Physik-Anwendungen

Laufzeit: 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Ulrich Rüde (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg); Prof. Dr. Manfred Krafczyk / Dr.-Ing. Jonas Tölke (Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig); Prof. Dr. Michael Resch (Universität Stuttgart); Prof. Dr. Ramin Yahyapour (ITMC TU Dortmund); IANUS Simulation GmbH
Förderung: BMBF
Projektmitarbeiter: Thomas Hübner Hilmar Wobker Jens Acker Sven Buijssen Markus Geveler Michael Köster Rashid Mahmood Volker Mattick Miguel Rojas Edwin Yaqub
Förderkennzeichen: D-11-40166-001-011041
Beschreibung: Ziel des Projekts SKALB (Lattice-Boltzmann-Methoden für skalierbare Multi-Physik-Anwendungen) ist die effiziente Implementierung und Weiterentwicklung von Lattice-Boltzmann basierten Strömungslösern zur Simulation komplexer Multi-Physik-Anwendungen auf Rechnern der Petascale-Klasse. Beteiligt sind Wissenschaftler der Universitäten in Erlangen-Nürnberg, Dortmund, Stuttgart, Braunschweig und der IANUS Simulation GmbH. SKALB wird zudem durch zahlreiche in- und ausländische Industriepartner unterstützt.

Zusätzlich zu den Problemkreisen, die spezifisch für Strömungslöser selbst sind, sollen auch fachübergreifende Fragen des Petascale Computing angegangen werden. Beispielhaft seien hier die folgenden Themen genannt:

• Nachhaltige Softwarestrukturen für effiziente numerische Simulationen auf Rechnern der Petascale-Klasse.
• Effiziente Parallelisierungs- und Optimierungsstrategien für massivst parallele homogene und heterogene Rechnerarchitekturen.

Das Projekt SKALB wird im Rahmen der BMBF-Ausschreibung "HPC-Software für skalierbare Parallelrechner" im Zeitraum 2009 bis 2011 mit einem Volumen von 1,8 Millionen EUR gefördert.
Veröffentlichungen: Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Lattice-Boltzmann Simulation of the Shallow-Water Equations with Fluid-Structure Interaction on Multi- and Manycore Processors, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 400, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Hübner, T. Efficient monolithic simulation techniques for the stationary Lattice Boltzmann equation on general meshes, Computing and Visualization in Science, 13, 129-143, 2010 [BibTeX]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 401, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Strzodka, R. Cyclic Reduction Tridiagonal Solvers on GPUs Applied to Mixed Precision Multigrid, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 402, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Concurrency and Computation: Practice and Experience, 6, 2247--2265, Special Issue Proceedings of ISC 2008. doi:10.1002/cpe.1584, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Performance and Accuracy of Lattice-Boltzmann Kernels on Multi- and Manycore Architectures, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 404, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. Hardware-Oriented Multigrid Finite Element Solvers on GPU-Accelerated Clusters, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 406, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Performance and accuracy of Lattice-Boltzmann kernels on multi- and manycore architectures, Procedia Computer Science, 1, 1, 239 -- 247, International Conference on Computational Science (ICCS`10), Elsevier, doi: 10.1016/j.procs.2010.04.027, 2010 [BibTeX]
Göddeke, D.; Komatitsch, D.; Michea, D.; Erlebacher, G. High-order finite-element seismic wave propagation modeling with MPI on a large GPU cluster, J. Comput. Phys., 229, 7692--7714, DOI 10.1016/j.jcp.2010.06.024, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Lattice-Boltzmann Simulation of the Shallow-Water Equations with Fluid-Structure Interaction on Multi- and Manycore Processors, Lecture Notes in Computer Science, 6310, 92--104, Facing the Multicore Challenge, Springer, 2010 [BibTeX]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Towards a complete FEM-based simulation toolkit on GPUS: Unstructured Grid Finite Element Geometric Multigrid solvers with strong smoothers based on Sparse Approximate Inverses, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 434, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Towards a complete FEM-based simulation toolkit on GPUS: Unstructured Grid Finite Element Geometric Multigrid solvers with strong smoothers based on Sparse Approximate Inverses, Comp. Fluids, 80, 327--332, doi: 10.1016/j.compfluid.2012.01.025, 2013 [BibTeX]
Göddeke, D.; Strzodka, R. Cyclic Reduction Tridiagonal Solvers on GPUs Applied to Mixed Precision Multigrid, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 22, 1, 22--32, doi: 10.1109/TPDS.2010.61, 2011 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Efficient Finite Element Geometric Multigrid Solvers for Unstructured Grids on GPUs , Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 419, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Mallach, S. A Simulation Suite for Lattice-Boltzmann based Real-Time CFD Applications Exploiting Multi-Level Parallelism on modern Multi- and Many-Core Architectures , Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 420, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Efficient Finite Element Geometric Multigrid Solvers for Unstructured Grids on GPUs, 22, Second International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering, Civil-Comp Press, Young Researcher Best Paper Award (doi: 10.4203/ccp.95.22), 2011 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Komatitsch, D.; Rajovic, N.; Puzovic, N.; Ramirez, A. Energy efficiency vs. performance of the numerical solution of PDEs: an application study on a low-power ARM-based cluster, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 462, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Hübner, T.; Mahmood, R. Fully implicit nonstationary flow simulations with a monolithic off-lattice Boltzmann approach, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 451, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Geometrieverarbeitung für die Virtuelle Realisierung produktionstechnischer Prozesse

Laufzeit: 4 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Heinrich Müller (TU Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Raphael Münster Abderrahim Ouazzi Tatiana Theis
Förderkennzeichen: F-11-49500-201-011041
Beschreibung: Das globale Ziel ist die Erschließung neuer Bereiche der fertigungstechnischen Simulation durch Methoden der effizienten Geometrieverarbeitung und des Wissenschaftlichen Rechnens. Ein Schwerpunkt ist die effiziente Berechnung von Kennwerten der Beschichtungsqualität beim thermischen Spritzen in einer für die Prozessoptimierung hinreichenden Präzision und notwendigen Effizienz. Die verwendete makroskopische Modellierung erfolgt mittels einer mikroskopischen 3D-Simulation der Partikel-Substrat-Interaktion inklusive Tropfenausbreitung und Erstarrung. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Schaffung einer integrierten Simulationskette als Grundlage für eine übergreifende Optimierung des Gesamtprozesses des SFB.
Veröffentlichungen: Ouazzi, A.; Turek, S.; Theis, T. FEM-Simulation des Erstarrungsvorgangs von Einzeltröpfchen mittels Enthalpie Modell, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 460, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Komatitsch, D.; Rajovic, N.; Puzovic, N.; Ramirez, A. Energy efficiency vs. performance of the numerical solution of PDEs: an application study on a low-power ARM-based cluster, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 462, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Mierka, O.; Theis, T. Modeling of the Boundary Regions between a Spreading Droplet and a Rough Surface of Solid, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 480, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Hierarchische Lösungskonzepte in der optimalen Strömungskontrolle

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr; 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Michael Hinze (Universität Hamburg)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Michael Köster
Förderkennzeichen: D-11-40019-001-011041 D-11-40078-001-011041 D-11-40288-001-011041
Beschreibung: Die optimale Kontrolle von Strömungen bildet den Kern vieler praktischen Anwendungen. Schon alleine die numerische Simulation von (3D) zeitabhängigen Strömungen stellt immer noch eine der größten Herausforderungen des wissenschaftlichen Rechnens dar. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines allgemein anwendbaren, hierarchischen (Mehrgitter-) Lösungsansatzes zur optimalen Kontrolle von Strömungen. Der Aufwand zur Berechnung einer optimalen Lösung des Kontrollproblems soll dabei nur um einen kleinen konstanten Faktor höher sein als der Aufwand zur Berechnung der Simulation, d.h. für das Performance-Maß soll

Aufwand Optimierung / Aufwand Simulation = C

gelten, wobei C eine Konstante moderater Größe darstellt. Abgesehen davon sollen Kontroll- und Zustandsschranken in das Framework integriert werden.

Um diese Ziele zu erreichen, müssen Aspekte aus verschiedenen Teilgebieten von Simulation und Optimierung kombiniert werden, wie beispielsweise
• High-Performance-Techniken aus dem wissenschaftlichen Rechnen zur Strömungssimulation
• diskrete Raum-Zeit-Konzepte basierend auf der Struktur der notwendigen Optimalitätsbedingungen erster Ordnung des zugrunde liegenden Optimierungsproblems (Karush-Kuhn-Tucker-System, oder kurz: KKT-System) sowie
• ausgereifte Optimierungsalgorithmen in Verbindung mit Mehrgittertechniken, welche die Struktur des zugrunde liegenden Optimierungsproblems ausnutzen.

Die erste Antragsphase konzentriert sich auf methodische und algorithmische Aspekte, die prototypisch anhand von 2D zeitabhängigen Optimierungsproblemen validiert werden. Bei Fertigstellung des Projektes werden die fehlenden Verbindungen zwischen den drei oben genannten Punkten geknüpft sein. Dies bedeutet, dass schnelle und robuste numerische Lösungstechniken für die Strömungsgleichungen und deren Adjungierten an die Diskretisierungskonzepte der Strömungskontrolle gekoppelt sein werden. Kontroll- und Zustandsschranken sind dabei zu berücksichtigen. In der zweiten Antragsphase wird es dann möglich sein, allgemeinere und komplexere Probleme der Strömungskontrolle aus realistischeren Anwendungsbeispielen zu behandeln.
Veröffentlichungen: Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Mathematical and numerical analysis of a robust and efficient grid deformation method in the finite element context, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 365, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. A new multilevel grid deformation method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 372, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Köster, M.; Turek, S.; Wobker, H. How to gain speedups of 1000 on single processors with fast FEM solvers - Benchmarking numerical and computational efficiency, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 382, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Mathematical and numerical analysis of a robust and efficient grid deformation method in the finite element context, SIAM J. Sci. Comput., 31, 2, 1539--1557, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. A new multilevel grid deformation method, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 390, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Grajewski, M.; Köster, M.; Turek, S. Numerical analysis and implementational aspects of a new multilevel grid deformation method, Appl. Num. Math., 60, 8, 767-781, doi:10.1016/j.apnum.2010.03.017, 2010 [BibTeX]
Hinze, M.; Köster, M.; Turek, S. Space-time Newton-multigrid strategies for nonstationary distributed and boundary flow control problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 482, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Numerische Simulation zur Herstellung monodisperser Tropfen in pneumatischen Ziehdüsen

Laufzeit: 2 Jahre; 2 Jahre; 2 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Otto Mierka
Förderkennzeichen: D-11-40212-001-011041 D-11-40695-001-011041
Beschreibung: Das Herstellen von monodispersen Tropfen aus laminaren Flüssigkeitsfäden mittels pneumatischer Ziehdüsen ist ein oft verwendetes Verfahren, da aufgrund der Dehnung durch die umgebende Gasströmung sowohl die Verstopfungsproblematik an den Düsen wie auch die gezielte Herstellung monodisperser Tropfen mit bestimmter Tropfengröße (im Mikrometerbereich) und mit bestimmter Zerfallslänge kontrolliert werden kann. Der laminare Zerfall von Flüssigkeitsfäden zu Tropfen stellt allerdings wegen der Vielzahl möglicher Parameter wie Dichteverhältnis, Viskosität, Rheologie, Grenzflächenspannung und Anströmbedingung der zu dispergierenden Phase und in dem Umgebungsgas ein empfindliches Verfahren dar, da gerade bei nicht-newtonschen Suspensionen (z.B. Polymere) und bei Strömungsanregungen der Suspension oder des Umgebungsgases durch Schwingungen noch Grundlagenuntersuchungen benötigt werden.
In dem beantragten Projekt sollen numerische Simulationen zur Tropfenerzeugung in Ziehdüsen auf der Basis der CFD-Software FEATFLOW durchgeführt werden. Neben numerischen Untersuchungen zu dynamischer Fädenabschnürung und Tropfenerzeugung, die mittels lokal adaptierten Rechengittern, VOF bzw. Level-Set Techniken und parallelen Mehrgittermethoden mit hoher Genauigkeit und Effizienz erreicht werden sollen, steht vor allem die Untersuchung der Düsenformen, der Einfluss des Umgebungsgases und die Einströmbedingung der Suspension im Mittelpunkt der Projektarbeiten. Von besonderem Interesse ist dabei die Behandlung von nicht-newtonschen Suspensionen, wie sie beispielsweise bei Polymeren auftreten, wie auch von mehrkomponentigen Suspensionen, wenn beispielsweise Feststoffpartikel oder eine weitere Flüssigphase in dem äußeren Fluid (z.B. toxische Wirkstoffe zur Chemotherapie in einem bioabbaubaren Polymer) gekapselt werden, bevor sie zu mehrkomponentigen Tropfen abgeschnürt werden, die dann zu Partikeln getrocknet werden. Als Fernziel wird eine fluiddynamische Optimierung angestrebt, um durch Steuerung von Düsenformen, Anströmbedingungen und Schwingungsanregungen vorgegebene Tropfengröße und Flüssigkeitsdurchsatz als wichtige Voraussetzung für maßgeschneiderte Partikel zu erreichen. Die numerischen Methoden werden zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Walzel (TU Dortmund) experimentell ausgewertet und validiert, so daß die Ergebnisse dieses Vorhabens auch außerhalb des beantragten Teilprojektes von Interesse sind, beispielsweise bei dem Einsatz von Mehrfachziehdüsen in einem Trockenturm.
Veröffentlichungen: Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. A high order 3D FEM-Level Set approach for multiphase flow with application to monodisperse droplet generation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 411, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Benchmark Computations of 3D Laminar Flow Around a Cylinder with CFX, OpenFOAM and FeatFlow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 433, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 437, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Computational Methods in Applied Sciences, Vol. 27, 65-91, Numerical methods for differential equations, optimization, and technological problems, Springer, ISBN 978-94-007-5287-0, 2013 [BibTeX]
Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Benchmark Computations of 3D Laminar Flow Around a Cylinder with CFX, OpenFOAM and FeatFlow, International Journal of Computational Science and Engineering, 7, 3, 253-266, 2012 [BibTeX]
Turek, S.; Mierka, O.; Damanik, H. Numerical simulation of mondisperse droplet generation in nozzles, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 452, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Komatitsch, D.; Rajovic, N.; Puzovic, N.; Ramirez, A. Energy efficiency vs. performance of the numerical solution of PDEs: an application study on a low-power ARM-based cluster, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 462, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Herleitung und Realisierung von hochauflösenden FEM-Diskretisierungsverfahren und effizienten iterativen Lösern zur numerischen Simulation von konvektionsdominanten Strömungen

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Dmitri Kuzmin
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Matthias Möller
Förderkennzeichen: 0110471003 0110471103
Beschreibung: Ziel des Projekts ist die Weiterentwicklung von hochauflösenden Finite-Elemente-Methoden, die vom Antragsteller zur Diskretisierung von konvektionsdominanten Transportproblemen auf unstrukturierten Gittern erarbeitet wurden. Mit Hilfe von mathematisch fundierten Positivitätskriterien werden diskrete Differentialoperatoren so modifiziert, daß die Lösung keine unphysikalischen Oszillationen aufweist, ohne jedoch mit numerischer Diffusion behaftet zu sein. Bei diesem Vorgehen handelt es sich um ein nichtlineares Verfahren, das ohne freie Parameter auskommt und einfach zu implementieren ist. Der neue Zugang zeichnet sich dadurch aus, daß er mehrdimensional und auf weitgehend beliebige Orts- und Zeitdiskretisierungen anwendbar ist. Insbesondere funktioniert er für implizite Zeitschrittverfahren und unterschiedliche Finite Elemente (konforme und nichtkonforme - bisher mit P1 und Q1 bzw. Q1 getestet). Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens sollen die neuen Schemata einer systematischen Analyse unterzogen und auf Systeme hyperbolischer Erhaltungsgleichungen erweitert werden. Dazu ist eine Verallgemeinerung der skalaren Positivitätstheorie sowie eine Anpassung der Limiter-Techniken notwendig. Zur Konvergenzbeschleunigung sollen stark gekoppelte Löseransätze und Mehrgitter-Verfahren vom Typ FMG-FAS herangezogen werden.

Nichtkonforme Finite Elemente höherer Ordnung: Diskretisierung, Schnelle Löser und Anwendung im Bereich Computational Fluid Dynamics

Laufzeit: 3 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Friedhelm Schieweck (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Peter Zajac Shafqat Hussain
Förderkennzeichen: D-11-40357-001-011041
Beschreibung: Im Rahmen dieses Projektes, das gemeinsam in Magdeburg und Dortmund bearbeitet werden soll, sollen Finite Element Techniken und Mehrgitterideen für nichtkonforme Elemente höherer Ordnung weiterentwickelt, analysiert und in der Open Source Software FEATFLOW realisiert werden. Ziel ist dabei, die von den Antragstellern, die seit mehr als 15 Jahren auf dem Gebiet der nichtkonformen FEM sowie der Anwendung auf CFD-Probleme zusammenarbeiten, in früheren Arbeiten hergeleiteten Techniken zur Diskretisierung, Stabilisierung, Adaptivität und zur schnellen Lösung mittels Mehrgittertechniken sowohl für skalare Probleme als auch für die inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen auf den Fall höherer Ordnung zu übertragen. Durch die Realisierung in FEATFLOW wird gleichzeitig gewährleistet, dass eine ausgereifte numerische Testumgebung vorhanden ist und dass anhand realistischer CFD-Probleme in 2D und 3D die Qualität und numerische Effizienz dieser neuen Elementtypen bewertet werden kann.
Veröffentlichungen: Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. Higher order Galerkin time discretizations and fast multigrid solvers for the heat equation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 416, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Köster, M.; Ouazzi, A.; Schieweck, F.; Turek, S.; Zajac, P. New robust nonconforming finite elements of higher order, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 418, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. Higher order Galerkin time discretizations and fast multigrid solvers for the heat equation, J. Num. Math., 19, 1, 41-61, DOI 10.1515/ JNUM.2011.003, 2011 [BibTeX]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. A note on accurate and efficient higher order Galerkin time stepping schemes for the nonstationary Stokes equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 424, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S.; Zajac, P. On a Galerkin discretization of 4th order in space and time applied to the heat equation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 458, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. A note on accurate and efficient higher order Galerkin time stepping schemes for the nonstationary Stokes equations, TONUMJ, 4, 35-45, 2012 [BibTeX]
Köster, M.; Ouazzi, A.; Schieweck, F.; Turek, S.; Zajac, P. New robust nonconforming finite elements of higher order, Appl. Num. Math., 62, 166-184, 2012 [BibTeX]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. Higher order Galerkin time discretization for nonstationary incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 444, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. Higher order Galerkin time discretization for nonstationary incompressible flow , Numerical Mathematics and Advanced Applications, 509--517, Proceedings Enumath 2012 Leicester, Wiley-VCH, 2012 [BibTeX]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. An efficient and stable finite element solver of higher order in space and time for nonstationary incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 450, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. An efficient and stable finite element solver of higher order in space and time for nonstationary incompressible flow, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 73, 927--952, Doi: 10.1002/fld.3831, 2012 [BibTeX]
Schieweck, F.; Turek, S.; Hussain, S. Efficient Newton-multigrid solution techniques for higher order space-time Galerkin discretizations of incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 477, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Herleitung und Realisierung von Methoden zur a posteriori Gitteradaption für hochauflösende Finite-Elemente-Diskretisierungen mit Anwendung auf kompressible Gasströmungen

Laufzeit: 1 Jahr; 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Dmitri Kuzmin
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Matthias Möller Nikolas Vogt
Förderkennzeichen: 0110471105 0110471106
Beschreibung: Das Ziel des Projektes besteht darin, die hochauflösenden Finite-Elemente-Methoden, die vom Antragsteller zur Diskretisierung von konvektionsdominanten Transportproblemen erarbeitet und erfolgreich auf Systeme hyperbolischer Erhaltungsgleichungen verallgemeinert wurden, weiterzuentwickeln und mit Mechanismen zur a posteriori Gitteradaption zur verknüpfen. Anhand einer fundierten mathematischen Analyse lassen sich rigorose Positivitätskriterien formulieren, mit deren Hilfe diskrete Operatoren hoher Ordnung so modifiziert werden können, daß die Lösung keine unphysikalischen Oszillationen aufweist, ohne jedoch mit numerischer Diffusion behaftet zu sein. Die rein algebraische Vorgehensweise macht dieses Konzept für nahezu beliebige (explizite/implizite) Zeitschrittverfahren und mehrdimensionale Finite-Elemente-Diskretisierungen auf unstrukturierten, lokal verfeinerten Gittern anwendbar. In diesem Forschungsvorhaben sollen die Herleitung von praktisch nutzbaren Kriterien zur a posteriori Gitteranpassung auf der Basis von Flußkorrektur-Techniken und ihre effiziente Umsetzung für instationäre Strömungssimulationen im Vordergrund stehen. Weiterhin sollen die vorhandenen Softwarewerkzeuge zum Lösen der Euler-Gleichungen der Gasdynamik auf die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen erweitert sowie um das Standart k-ε-Modell zur Berücksichtigung der Turbulenz ergänzt werden.
Veröffentlichungen: Korotov, S.; Kuzmin, D. Goal-oriented a posteriori error estimates for transport problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 386, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M. Goal-oriented mesh adaptation for flux-limited approximations to steady hyperbolic problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 394, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Sokolov, A.; Strehl, R. A flux-corrected finite element method for chemotaxis problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 395, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Sokolov, A.; Strehl, R. A flux-corrected finite element method for chemotaxis problems, Computational Methods in Applied Mathematics, Vol. 10 (2010) , 2, 219-232 , 2009 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Shadid, J.; Shashkov, M. Failsafe flux limiting and constrained data projections for systems of conservation laws, J. Comput. Phys., submitted, 2010 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Sokolov, A.; Strehl, R.; Horstmann, D. A positivity-preserving finite element method for chemotaxis problems in 3D, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 417, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Shadid, J.; Shashkov, M. Failsafe flux limiting and constrained data projections for systems of conservation laws, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 407, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D. Linearity-preserving flux correction and convergence acceleration for constrained Galerkin schemes, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 421, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Effiziente FEM-Diskretisierungstechniken und Schnelle Löser für gekoppelte Feststoff-Fluid Probleme in geotechnischen Herstellungsprozessen auf der Basis der Theorie Poröser Medien (TPM)

Laufzeit: 2 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Wolfgang Ehlers (Universität Stuttgart), Prof. Theodoros Triantafyllidis (Universität Karlsruhe)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Abdulrahman Obaid Hilmar Wobker
Förderkennzeichen: D-11-40300-001-011041
Beschreibung: Im Rahmen des beantragten Projektes sollen für geotechnische Herstellungsprozesse effiziente numerische Diskretisierungs- und Lösungstechniken für dynamische Konsolidierungen entwickelt, analysiert und prototypisch implementiert werden. Die zugrunde liegenden Modelle der Theorie Poröser Medien (TPM), die eine Kopplung der fluiden Phase mit Modellen für das Korngerüst und mit speziellen Stoffgesetzen (hypoplastisch, elastoplastisch) erfordern, sollen mit speziellen FE-Techniken diskretisiert und gelöst werden, die die LBB-Stabilitätsbedingung, wie auch Stabilisierungsansätze für singuläre Effekte durch Transportoperatoren (z.B. in den konvektiven Jaumann-Operatoren wie auch bzgl. der Massenkonvektion für Granulat und Wasser) berücksichtigen und die für adaptive Gitteranpassung wie auch mehrphasige Erweiterungen und Fluid-Struktur-Interaktion geeignet sind. Insbesondere soll das vorliegende mathematische Fachwissen zur effizienten numerischen Behandlung von CFD-Problemen auf geotechnische Herstellungsprozesse mit fluidgesättigten Medien übertragen werden.
In Zusammenarbeit mit Partnern aus den Ingenieur- und Geowissenschaften, insbesondere Prof. Ehlers/Stuttgart (Modellierung, FEM-Simulation) und Prof. Triantafyllidis/Karlsruhe (Stoffmodelle, Experimente) sollen die numerischen Techniken und die in der Open Source FEM-Software FEATFLOW realisierten Softwarewerkzeuge validiert und anhand numerischer und experimenteller Benchmarks mit vorhandener Software (ABAQUS, ANSYS) evaluiert werden. Zentrale Aspekte auf numerischer Seite sind dabei explizite vs. implizite Zugänge, Eulersche vs. Lagrangesche Betrachtungsweisen bzgl. der konvektiven Terme, monolithische vs. Operator-Splitting Ansätze und Einsatzmöglichkeiten hocheffizienter Diskretisierungs- und Lösungsverfahren und (paralleler) HPC-Techniken vor allem für dynamische 3D-Konfigurationen.
Veröffentlichungen: Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A. On special CFD techniques for the efficient solution of dynamic porous media problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 461, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A. FAST SOLVERS AND EFFICIENT NUMERICAL CFD TECHNIQUES FOR DYNAMIC POROUS MEDIA PROBLEMS, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 470, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A. On a fully implicit, monolithic finite element method-multigrid solution approach for dynamic porous media problems, Journal of Coupled Systems and Multiscale Dynamics, 1, 2, 224--240, doi:10.1166/jcsmd.2013.1016, 2013 [BibTeX]
Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A. On a fully implicit, monolithic FEM-multigrid solution approach for dynamic porous media problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 483, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A.; Heider, Y. A new monolithic Newton-multigrid-based FEM solution scheme for large strain dynamic poroelasticity problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 528, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Markert, B.; Turek, S.; Obaid, A.; Heider, Y. A new monolithic Newton-multigrid-based FEM solution scheme for large strain dynamic poroelasticity problems, International Journal for Numerical Methods in Engineering, submitted, 2015 [BibTeX]

Effiziente Simulationstechniken für robuste Least-Squares FEM in der Fluiddynamik

Laufzeit: 1,5 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schröder (Universität Duisburg-Essen), Dr.-Ing. Alexander Schwarz (Universität Duisburg-Essen)
Förderung: MERCUR
Projektmitarbeiter: Abderrahim Ouazzi
Förderkennzeichen: D-11-40763-001-011041
Beschreibung: Für die zuverlässige Lösung technisch-naturwissenschaftlicher Problemstellungen der nichtlinearen Fluiddynamik sollen neue numerische Simulationswerkzeuge entwickelt, analysiert und als Software bereitgestellt werden, die eine höhere Leistungsfähigkeit als bestehende Simulationstechniken versprechen. In diesem Projekt werden sogenannte Least-Squares Finite Elemente in Kombination mit zukunftsweisenden iterativen Lösern entwickelt. Gegenüber herkömmlichen Zugängen sollen hier die wesentlichen Approximationseigenschaften analysiert und verbessert werden, dies betrifft zum Beispiel die Massenerhaltung, die Adaptivität, etc. Die resultierenden diskreten nichtlinearen Systeme sollen mit speziell angepassten Newton-Mehrgitterverfahren gelöst werden, die bzgl. der Wahl der FEM-Räume und der Problemformulierungen optimiert werden. Um in Zukunft komplexe Probleme der Biofluidmechanik und insbesondere Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen effizient simulieren zu können, sollen die entwickelten numerischen Methoden mit Techniken des High Performance Computing kombiniert werden und in der CFD-Software FEATFLOW realisiert werden, die den Einsatz von Parallelrechnern und Beschleunigerarchitekturen (GPUs) erlaubt.
Veröffentlichungen: Ouazzi, A.; Turek, S.; Nickaeen, M. Newton multigrid least-squares FEM for the V-V-P formulation of the Navier-Stokes equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 466, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Nickaeen, M.; Schwarz, A.; Schröder, J.; Serdas, S.; Nisters, C. A comparative study of mixed least-squares FEMs for the incompressible Navier-Stokes equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 478, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Nickaeen, M.; Waseem, M. Newton-Multigrid Least-Squares FEM for S-V-P Formulation of the Navier-Stokes Equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 486, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Nickaeen, M.; Schwarz, A.; Schröder, J.; Serdas, S. Least-squares finite element methods for the Navier-Stokes equations for generalized Newtonian fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 499, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Entwicklung und Validierung eines Simulationsansatzes zum Entgraten mikrostrukturierter Formgedächtnisbauteile durch Abrasivwasserstrahlen

Laufzeit: 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann (TU Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Evren Bayraktar
Förderkennzeichen: D-11-40759-001-011041
Beschreibung: In vielen Anwendungen der Automobil-, Luftfahrt- und Medizintechnik müssen Bauteile für einen sicheren Einsatz entgratet werden. Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens ist zu untersuchen, inwieweit sich die hochdynamischen Vorgänge und die Wirkmechanismen beim Entgraten durch Wasserabrasivstrahlen in einem Modell zusammenfassen lassen, das eine Simulation derartiger Entgratverfahren ermöglicht. Das Modell soll dabei sowohl gratseitig als auch prozessseitig parametrisierbar sein. Diese neue Simulation steht dann als Hilfsmittel für die Auslegung verschiedener Entgratprozesse zur Verfügung, um eine höchstmögliche Effizienz bei minimaler Beeinflussung der Werkstücke zu erreichen. Aus technologischer Sicht ist dies insbesondere für filigrane Strukturen aus Nickel-Titan (NiTi) im Einsatzbereich der Medizintechnik wichtig, die aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften zu starker Gratbildung neigen, gleichzeitig aber sehr empfindlich in Bezug auf nachgelagerte Entgratprozesse sind. Ausgehend von Simulationsergebnissen wird eine roboterbasierte Werkstückführung entlang eines sehr fein dosierten Abrasivstrahls mit unterschiedlichen Strahlmitteln untersucht, die den Anwendungsbereich dieser Technik auf filigrane Strukturen erweitern soll.
Veröffentlichungen: Turek, S.; Münster, R.; Bayraktar, E.; Biermann, D.; Özkaya, E. Nozzle Design for Low-Pressure Micro Abrasive Waterjet Blasting via CFD Simulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 465, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Bayraktar, E.; Biermann, D.; Özkaya, E. Abrasive medium classification and CFD simulations for low-pressure abrasive water-jet blasting, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 469, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Fictitious Boundary Methoden für mehrphasige Strömungsprobleme mit Feststoffpartikeln

Laufzeit: 2 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Raphael Münster
Förderkennzeichen: D-11-41028-001-011041
Beschreibung: In diesem Forschungsprojekt sollen die vorliegenden methodischen Grundlagenarbeiten des Antragstellers zu FEM Techniken für mehrphasige Probleme mit flüssig-flüssig Grenzflächen und zu Fictitious-Boundary Methoden für Feststoffpartikel erweitert werden. Ziel ist es dabei, neue Eulersche Ansätze für partikelbehaftete Strömungen von Patankar, Cottet und Blasco, die ohne explizite Berechnung der Kräfte auf der Oberfläche der Partikel auskommen, mit neuentwickelten Level-Set Techniken zur Beschreibung der Grenzfläche, d.h. der Partikeloberfläche, zu kombinieren. Die Vorteile dieser neuen Methode sind die Vermeidung der direkten Berechnung der hydrodynamischen Oberflächenkräfte auf den Partikeln, deren (unbekannte) zeitabhängige Positionen in gekoppelter 2-Wege Interaktion mit der umgebenden Strömung stehen. Weiterhin können mit diesem Zugang sowohl bewegliche Grenzflächen (flüssig-flüssig, flüssig-gas) wie auch flüssig-fest Konfigurationen in einem einzigen Code realisiert werden, so daß die hohe Effizienz, Genauigkeit und Flexibilität von modernen Level-Set bzw. Volume-of-Fluid Methoden auch für partikelbehaftete Strömungen genutzt werden können. Auf Anwendungsseite soll das Verhalten von hochkonzentrierten Suspensionsstrahlen in laminaren Umgebungsfluiden bzgl. Clusterbildung und die Herstellung von Suspo-Emulsionen gemeinsam mit Partnern der Verfahrenstechnik untersucht werden.
Veröffentlichungen: Turek, S.; Mierka, O.; Münster, R. Finite Element-Fictitious Boundary Methods (FEM-FBM) for time-dependent multiphase flow problems - Application to Sedimentation Benchmarks, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 457, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Fischer, P.; Leshansky, A.; Turek, S.; Mierka, O.; Münster, R.; Qiu, T.; Lee, T.; Mark, A.; Morozov, K. Swimming by Reciprocal Motion at Low Reynolds Number, NCOMMS, online: doi http://www.nature.com/ncomms/2014/141104/ncomms6119/full/ncomms6119.html, 2014 [BibTeX]
Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Theis, T.; Schöppner, V.; Herken, T. Mesh Deformation Based Finite Element - Fictitious Boundary Method (FEM-FBM) for the Simulation of Twin-screw Extruders, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 509, 2014 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Theis, T.; Schöppner, V.; Herken, T. Mesh Deformation Based Finite Element - Fictitious Boundary Method (FEM-FBM) for the Simulation of Twin-screw Extruders, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., submitted, 2014 [BibTeX]

Monolithische ALE-Verfahren und gekoppelte Mehrgitterlöser für Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Laufzeit: 2 Jahre, 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Jaroslav Hron Hilmar Wobker
Förderkennzeichen: 0110411105
Beschreibung: Die Zielsetzung in der 2. Projektphase ist die Weiterentwicklung der bisherigen Arbeiten, wobei verbesserte Diskretisierungstechniken in Ort und Zeit (Stabilisierung von Konvektion für Q_2/P_1 Stokeselemente mittels edge-oriented FEM-Verfahren, Gitteradaptivität bzw. Gitterdeformation, modifizierte Fractional-Step-0-Scheme Verfahren, adaptive Zeitschrittwahl) und robustere und effizientere Löser (Newton-artige Verfahren, lokale Pressure Schur Complement Löser (`Vanka-artig`) mit patching und als Vorkonditionierer in Krylov-Raum Verfahren und vor allem Operator-Splitting Schemata als globale Pressure Schur Complement Verfahren, die den Druckanteil von Verschiebungen und Geschwindigkeiten abkoppeln) wesentliche Aspekte darstellen. Daneben steht vor allem der Aspekt von sehr starken Geometrie- und Netzdeformationen bei ALE-Ansätzen im Mittelpunkt, der mittels speziellen Gitterdeformations- bzw. Gittertransformationstechniken bis hin zur Neuvernetzung und Erstellung einer neuen Referenzkonfiguration behandelt werden soll.
Veröffentlichungen: Geller, S.; Hron, J.; Krafczyk, M.; Tölke, J.; Turek, S. Benchmark computations based on Lattice Boltzmann, finite element and finite volume methods for laminar flows, Comp. Fluids, 35, 8--9, 888--897, 2006 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM solver for an ALE formulation of fluid-structure interaction with configuration for numerical benchmarking, 176, Books of Abstracts European Conference on Computational Fluid Dynamics, nn, Eccomas CFD 2006, 2006 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM/Multigrid solver for ALE formulation of fluid structure interaction with application in biomechanics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 311, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Proposal for numerical benchmarking of fluid-structure interaction between an elastic object and laminar incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 312, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST: Development of HPC technologies for FEM applications, NIC Series, 32, 299--306, NIC Symposium 2006, Graphische Betriebe, Forschungszentrum Jülich, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Glowinski, R.; Hron, J.; Rivkind, L.; Turek, S. Numerical study of a modified time-stepping theta-scheme for incompressible flow simulations, J. Sci. Comput., 28, 2--3, 533--547, doi: 10.1007/s10915-006-9083-y, 2006 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM solver for an ale formulation of fluid-structure interaction with configuration for numerical benchmarking, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 321, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Proposal for numerical benchmarking of fluid-structure interaction between an elastic object and laminar incompressible flow, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 53, 371--385, Fluid-Structure Interaction - Modelling, Simulation, Optimization, Springer, ISBN 3-540-34595-7, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM/multigrid solver for ALE formulation of fluid structure interaction with application in biomechanics, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 53, 146--170, Fluid-Structure Interaction - Modelling, Simulation, Optimization, Springer, ISBN 3-540-34595-7, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Turek, S.; Wobker, H. Numerical studies of Vanka-type smoothers in computational solid mechanics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 342, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Wobker, H. High Performance Computing techniques for the FEM simulation in solid mechanics, Oberwolfach Reports, 4, 3174--3178, Mini-Workshop: Theory and Numerics of Fluid-Solid Interaction, European Mathematical Society Publishing House, 2007 [BibTeX]
Becker, C.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Using GPUs to improve multigrid solver performance on a cluster, International Journal of Computational Science and Engineering, 4, 1, 36--55, doi: 10.1504/IJCSE.2008.021111, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 371, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Transactions of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) 2008, 425--440, High Performance Computing in Science and Engineering 2008, Springer, doi: 10.1007/978-3-540-88303-6_30, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction for elastic material with point constraints, 451-472, Advances in Mathematical Fluid Mechanics-Dedicated to Giovanni Paolo Galdi on the Occasion of his 60th Birthday, Springer, ISBN 978-3-642-04067-2, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for non-isothermal incompressible viscous flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 359, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Galdi, G.; Turek, S.; Rannacher, R.; Robertson, A. Hemodynamical flows modelling, analysis and simulation, OWS-Oberwolfach Seminars, Birkhäuser, 978-3-7643-7805-9, 2008 [BibTeX]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 367, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Numerical techniques for multiphase flow with liquid-solid interaction, Oberwolfach Seminars, 37, 379--501, Hemodynamical Flow Modeling, Analysis and Simulation, Birkhäuser, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction for elastic material with point constraints, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 366, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Köster, M.; Turek, S.; Wobker, H. How to gain speedups of 1000 on single processors with fast FEM solvers - Benchmarking numerical and computational efficiency, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 382, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. UCHPC: Unconventional High-Performance Computing for finite element simulations, Winner of the first PRACE award; http://www.prace-project.eu/news/prace-award-presented-to-young-scientist-at-isc201908, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction with application to aneurysm hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 385, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M.; Weichert, F.; Grunwald, I.; Roth, C.; Romeike, B.; Wagner, M. Numerical simulation of fluid-structure interaction with application to aneurysm hemodynamics, 215-230, Fluid-Structure Interaction. Theory, Numerics and Applications, Logos Verlag, Herrsching am Ammersee, 2008, 2009 [BibTeX]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, International Journal of Computational Science and Engineering, 4, 4, 254--269, DOI: 10.1504/IJCSE.2009.029162, 2009 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM-multigrid solver for non-isothermal incompressible flow on general meshes, Journal of Computational Physics, 228, 3869--3881, 2009 [BibTeX]
Meister, A.; Schäfer, M.; Turek, S.; Hartmann, S. International Workshop on Fluid-Structure Interaction, Theory, Numerics and Applications, Kassel University Press, 978-3-89958-66-4, 2009 [BibTeX]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation and benchmarking of fluid-structure interaction with application to hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 393, with support by F. Weichert, I. Q. Grunwald, C. Roth, M. Wagner, B. F. Romeike, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Finite element discretization and Newton-multigrid solution techniques for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 396, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for temperature and shear dependent viscosity in viscoelastic flow, 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, ACM Press, 2009 [BibTeX]
Turek, S.; Wobker, H. Numerical studies of Vanka-type smoothers in computational solid mechanics, Adv. Appl. Math. Mech., 1, 1, 29--55, 2009 [BibTeX]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 401, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Madlik, M.; Razzaq, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 403, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Concurrency and Computation: Practice and Experience, 6, 2247--2265, Special Issue Proceedings of ISC 2008. doi:10.1002/cpe.1584, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Schäfer, M.; Turek, S.; Wobker, H.; Razzaq, M. Numerical Benchmarking of Fluid-Structure Interaction: A comparison of different discretization and solution approaches, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 405, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. Hardware-Oriented Multigrid Finite Element Solvers on GPU-Accelerated Clusters, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 406, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, J. Non-Newtonian Fluid Mech., 19-20, 165, 1105--1113, doi:10.1016/j.jnnfm2010.05.008, 2010 [BibTeX]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Razzaq, M.; Madlik, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 73, 193-220, Fluid-Structure Interaction II: Modelling, Simulation, Optimisation, Springer, doi 10.1007/978-3-642-14206-2, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Schäfer, M.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical Benchmarking of Fluid-Structure Interaction: A comparison of different discretization and solution approaches, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 73, 413-424, Fluid-Structure Interaction II: Modelling, Simulation, Optimisation, Springer, doi 10.1007/978-3-642-14206-2, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Razzaq, M.; Damanik, H. FEM multigrid techniques for fluid-structure interaction with application to hemodynamics, Appl. Num. Math., 62, 1156-1170, http://dx.doi.org/10.1016/j.apnum.2010.12.010, 2011 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 426, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Roth, A.; Münster, R.; Razzaq, M.; Weichert, F.; Wagner, M.; Walczak, L.; Fisseler, D.; Opfermann, T.; Grunwald, I.; Veith, C. Simulation of Intra-Aneurysmal Blood Flow by using Different Numerical Methods, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 436, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Münster, R.; Razzaq, M.; Weichert, F.; Roth, C.; Wagner, M.; Walczak, L.; Fisseler, D.; Opfermann, T.; Grunwald, I.; Veith, C. Simulation of Intra-Aneurysmal Blood Flow by using Different Numerical Methods, CMMM, Volume 2013, Article ID 527654, http://dx.doi.org/10.1155/2013/527654, 2011 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Razzaq, M.; Damanik, H. FEM Multigrid Techniques for Fluid-Structure Interaction with Application to Hemodynamics, Appl. Num. Math., 62, 9, 1156 - 1170, 10.1016/j.apnum.2010.12.010, 2012 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Volume 71, Issue 2, 208-222, 2013 [BibTeX]

Experimentelle Untersuchung des Verweilzeitverhaltens in Mikroreaktoren - Einfluss verschiedener Geometrien

Laufzeit: 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. David Agar (Universität Dortmund); PD Dr. Joachim Franzke (ISAS)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Jens Acker
Förderkennzeichen: 0110411104
Beschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist die reaktionstechnische Charakterisierung von Mikroreaktoren. Ein wesentliches Kriterium dazu ist die Verweilzeitverteilung, die neben der fluiddynamischen Beschreibung auch enthaltene Nichtidealitäten erfasst. Injektive Verfahren führen in Mikrostrukturen durch das im Verhältnis zum Reaktor große Injektionsvolumen zu einer Störung der Strömung und damit zu bedingt genauen Ergebnissen. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes wird ein neues und für die Bestimmung der Verweilzeit innovatives Verfahren eingesetzt. Die Messmethode beruht auf der laserinduzierten Aktivierung eines gelösten nicht-aktiven Farbstoffs im Reaktoreintritt. Damit ist eine störungsfreie und klar definierte Aufgabe des Spurstoffes gewährleistet. Mit Hilfe dieses neu entwickelten Verfahrens werden Messungen für verschiedene Geometrien durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse werden zur Entwicklung und Validierung mathematischer Werkzeuge verwendet, die auf der Basis von CFD-Simulationen (FEATFLOW) Techniken zur Ermittlung des Verweilzeitverhaltens (``diskret`` oder ``kontinuierlich``) realisieren. Insbesondere robuste und genaue Methoden zur Advektion von unstetigen Tracersignalen auf der Basis von Limitertechniken (TVD, Shock capturing) kommen dabei zum Einsatz. Die numerisch anspruchsvolle Aufgabe scharfer Konzentrationsfronten bietet dabei die Möglichkeit die mathematischen Modelle hinsichtlich ihrer Effizienz bei der Berechnung des diffusiven Stofftransports in Mikrostrukturen im Hinblick auf künftige Berechnungen mit chemischen Reaktionen zu bewerten.

Effiziente Numerik nicht-isothermer hochviskoser Mehrphasenströmungen zur Simulation des Herstellungsprozesses gradierter Mikroschäume

Laufzeit: 4 Jahre; 4 Jahre (laufend)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Andreas Meister (Universität Kassel), Prof. Dr.-Ing. Olaf Wünsch (Universität Kassel)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Abderrahim Ouazzi Hogenrich Damanik
Förderkennzeichen: 6015030301
Beschreibung: Zur Auslegung von Fertigungsverfahren für die Herstellung von Werkstücken aus Kunststoff ist die Kenntnis der Transportvorgänge der heißen Schmelze in den Werkzeugen von entscheidender Bedeutung. Insbesondere gilt dies bei der Erzeugung von gezielten gradierten Eigenschaften durch Mikroschäumverfahren im Bereich des thermo-mechanisch gekoppelten Prozesses des Spritzgießens. In diesem Projekt soll ein effizientes numerisches Verfahren für inkompressible und nicht-newtonsche Flüssigkeiten entwickelt werden, das den verschiedenen Skalen bez. hydraulischer und thermischer Einlaufvorgänge Rechnung trägt, die Entstehung und Ausbreitung von Zweiphasenströmungen (Mikroschäume, Kavitation) berücksichtigt und den drastischen Geometrieänderungen atmender Werkzeuge genügt. Der entsprechende CFD-Löser wird ein gekoppelter FEM-Zugang sein, der auf stabilen Stokes-Elementen (LBB-Bedingungen) beruht und moderne Techniken der Stabilisierung für Transportphänomene, adaptive Gitteranpassung in Ort und Zeit mittels a posteriori Fehlerkontrolle, diskrete und kontinuierliche Projektionsverfahren zum Operatorsplitting und rigorose hierarchische Mehrgittertechniken verwendet. Hierzu sind neben der Entwicklung einer robusten und zeitgenauen Finite-Element-Methode auf unstrukturierten bewegten Gittern die Diskretisierung des Phasenübergangs und die Integration eines neuen, physikalisch motivierten Mehrgitteransatzes von zentraler Bedeutung. Bei dieser speziellen Mehrgittertechnik soll entsprechend der physikalischen Eigenschaften die Berechnung des Geschwindigkeits- und Temperaturfelds auf zwei unterschiedlichen Gittern untersucht werden. Wesentlich ist insgesamt die zeitgenaue Kopplung der auftretenden Zeitskalen unter Verwendung von effizienten (semi-)impliziten Zeitintegrationsmethoden. Ein besonderes Augenmerk soll zudem auf die Validierung des mathematischen Modells und des numerischen Verfahrens hinsichtlich ihres jeweiligen Gültigkeitsbereiches und auf die Evaluation der neuentwickelten CFD-Software bez. Experimenten und kommerzieller CFD-Software gelegt werden.
Veröffentlichungen: - Flyer of the CRC conference 2012, Projektberichte, 2, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
- Flyer Summerschool 2012, Projektberichte, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S. Unified edge-oriented stabilization of nonconforming FEM for incompressible flow problems: Numerical investigations, J. Num. Math., 15, 4, 299--322, 2007 [BibTeX]
Münster, R. Effiziente dynamische Suchdatenstrukturen zur Distanzberechnung in numerischen Strömungssimulationen, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Galdi, G.; Turek, S.; Rannacher, R.; Robertson, A. Hemodynamical flows modelling, analysis and simulation, OWS-Oberwolfach Seminars, Birkhäuser, 978-3-7643-7805-9, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for non-isothermal incompressible viscous flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 359, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Finn, R. Maximum principle and gradient estimates for stationary solutions of the Navier--Stokes equations; a partly experimental investigation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 369, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Numerical techniques for multiphase flow with liquid-solid interaction, Oberwolfach Seminars, 37, 379--501, Hemodynamical Flow Modeling, Analysis and Simulation, Birkhäuser, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S. On pressure separation algorithms (PSEPA) for improving the accuracy of incompressible flow simulations, Int. J. Num. Meth. Fluids, 59, 4, 387--403, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Numerical techniques for FEM simulations of continuum models in biomathematics, Marrakesh, January, 3-8, 2008, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Meister, A.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Kopecz, S.; Wuensch, O. Efficient computation of non-isothermal highly viscous incompressible flow, 10845-10846, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM 08), ACM Press, DOI: 10.1002/pamm.200810845 , 2008 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction with application to aneurysm hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 385, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Tardos, G.; Turek, S.; Kheiripour Langroudi, M. An investigation of frictional and collosional powder flows using unified constitutive equation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 387, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM-multigrid solver for non-isothermal incompressible flow on general meshes, Journal of Computational Physics, 228, 3869--3881, 2009 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Razzaq, M.; Damanik, H. FEM multigrid techniques for the simulation of fluid-structure interaction with application to hemodynamics, May 18-22, 2009, Agadir, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation and benchmarking of fluid-structure interaction with application to hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 393, with support by F. Weichert, I. Q. Grunwald, C. Roth, M. Wagner, B. F. Romeike, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic FEM multigrid techniques for the simulation of viscoelastic flow, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Razzaq, M.; Damanik, H.; Madlik, M.; Pustejovska, P. Monolithic FEM techniques for flows with temperature, pressure and/or shear-dependent viscosity, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Tardos, G.; Turek, S.; Kheiripour Langroudi, M. An investigation of frictional and collisional powder flows using a unified constitutive equation, Powder Technology, 197, 1-2, 91-101, 2009 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Finite element discretization and Newton-multigrid solution techniques for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 396, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ribbrock, D. Entwurf einer Softwarebibliothek zur Entwicklung portabler, hardwareorientierter HPC Anwendungen am Beispiel von Strömungssimulationen mit der Lattice Boltzmann Methode, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Geveler, M. Echtzeitfähige Interaktion von Festkörpern mit 2D Lattice-Boltzmann Flachwasserströmungen in 3D Virtual-Reality Anwendungen, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for temperature and shear dependent viscosity in viscoelastic flow, 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, ACM Press, 2009 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. FEM techniques for the LCR reformulation of viscoelastic flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 399, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Hübner, T. Efficient monolithic simulation techniques for the stationary Lattice Boltzmann equation on general meshes, Computing and Visualization in Science, 13, 129-143, 2010 [BibTeX]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Madlik, M.; Razzaq, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 403, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, J. Non-Newtonian Fluid Mech., 19-20, 165, 1105--1113, doi:10.1016/j.jnnfm2010.05.008, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. FEM Techniques for the LCR Reformulation of Viscoelastic Flow Problems, Enumath , Part 2, 747-754, Numerical Mathematics and Advanced Applications 2009 2010, Springer, 2010 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Finn, R. Maximum principle and gradient estimates for stationary solutions of the Navier--Stokes equations; a partly experimental investigation, Advances in Mathematical Fluid Mechanics-Dedicated to Giovanni Paolo Galdi on the Occasion of his 60th Birthday, Springer, doi: 10.1007/978-3-642-04068-9, 2010 [BibTeX]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Razzaq, M.; Madlik, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 73, 193-220, Fluid-Structure Interaction II: Modelling, Simulation, Optimisation, Springer, doi 10.1007/978-3-642-14206-2, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Razzaq, M.; Damanik, H. FEM multigrid techniques for fluid-structure interaction with application to hemodynamics, Appl. Num. Math., 62, 1156-1170, http://dx.doi.org/10.1016/j.apnum.2010.12.010, 2011 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 426, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Roth, A.; Münster, R.; Razzaq, M.; Weichert, F.; Wagner, M.; Walczak, L.; Fisseler, D.; Opfermann, T.; Grunwald, I.; Veith, C. Simulation of Intra-Aneurysmal Blood Flow by using Different Numerical Methods, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 436, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Münster, R.; Razzaq, M.; Weichert, F.; Roth, C.; Wagner, M.; Walczak, L.; Fisseler, D.; Opfermann, T.; Grunwald, I.; Veith, C. Simulation of Intra-Aneurysmal Blood Flow by using Different Numerical Methods, CMMM, Volume 2013, Article ID 527654, http://dx.doi.org/10.1155/2013/527654, 2011 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Numerical simulation of a rising bubble in viscoelastic fluids, Springer, Enumath 2011 - Leiceister, 2011 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Volume 71, Issue 2, 208-222, 2013 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Numerical simulation of a rising bubble in viscoelastic fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 445, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Mierka, O.; Damanik, H. Numerical simulation of mondisperse droplet generation in nozzles, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 452, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M.; Tsotskas, C.; Kipouros, T.; Savill, M. Insight into Fluid Structure Interaction Benchmarking through Multi-Objective Optimization, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 456, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Efficient FEM Solvers for Incompressible Nonlinear Flow Models, 219-224, 1st International Conference on Thermo-Mechanically Graded Materials, Verlag Wissenschaftliche Scripten, CRC/TR TRR 30, 2012 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M.; Tsotskas, C.; Kipouros, T.; Savill, M. Multi-Objective Optimization of a Fluid Structure Interaction Benchmarking, CMES, 90, 4, 303-337, 2013 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M.; Tsotskas, C.; Kipouros, T.; Savill, M. Multi-Objective Optimization of a Fluid Structure Interaction Benchmarking, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 472, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Numerical simulation of polymer film stretching, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 485, 2013 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Damanik, H.; Heim, H.; Ries, A.; Schöppner, V.; Wibbeke, A.; Mahnken, R.; Dammann, C.; Wünsch, O.; Al-Baldawi, A.; Rohde, B.; Brückner-Foit, A.; Gausemeier, J.; Grässler, I.; Petersen, M. Eigenverstärkte Thermoplastverbunde, Kunststoffe, 2 und 3, 35--39 und 72--78, 2014 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Towards a monolithic multiphase flow solver via surface stress-based formulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 518, 2015 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Level-Set-Methoden für inkompressible Strömungen mit freien Grenzflächen

Laufzeit: 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Dmitri Kuzmin
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Heribert Blum (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Shuren Hysing
Förderkennzeichen: 0110471104
Beschreibung: Ziel des Projekts ist die Herleitung von adaptiven Finite-Elemente-Methoden zur Simulation von inkompressiblen Mehrphasenströmungen mit freien Rändern nach dem Level-Set-Zugang. Dabei wird der Grenzflächenverlauf aus den Werten einer gerichteten Distanzfunktion rekonstruiert, deren zeitliche Entwicklung durch eine skalare Transportgleichung beschrieben wird. Es gilt, die gängigen Techniken zum Lösen der Teilaufgaben, die bei der Implementierung eines solchen Front-Capturing-Verfahren auftreten - Reinitialisierung der Level-Set-Funktion, Berechnung der Normalen/Krümmung, Rekonstruktion der Grenzfläche usw. - im Bezug auf ihre Genauigkeit, Robustheit und Effizienz an einer Reihe von Benchmark-Konfigurationen zu untersuchen und ggf. zu revidieren. Im Rahmen einer variationellen Formulierung sollen sie auf die Besonderheiten der zugrundeliegenden FEM-Diskretisierung abgestimmt werden. Im Mittelpunkt der geplanten Forschungsarbeiten wird u. a. eine stabile numerische Behandlung der konvektiven Terme wie auch der Oberflächenkräfte stehen. Um die Auflösung der freien Grenzflächen zu verbessern, soll auf adaptive Gittersteuerung zurückgegriffen werden. Die zu entwickelnde Erweiterung des Softwarepakets FeatFlow soll bei mehreren Anwendungsprojekten wie auch im grundlagenorientierten Projekt zum Einsatz kommen.
Veröffentlichungen: Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Proposal for quantitative benchmark computations of bubble dynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 351, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Quantitative benchmark computations of two-dimensional bubble dynamics, Int. J. Num. Meth. Fluids, 60, 11, 1259-1288, doi: 10.1002/fld.1934, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Korotov, S.; Kuzmin, D. Goal-oriented a posteriori error estimates for transport problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 386, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Cai, M. Numerical Studies of Time Dependent Ginzburg-Landau Model by FEM with Moving Grid Deformation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 409, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. A high order 3D FEM-Level Set approach for multiphase flow with application to monodisperse droplet generation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 411, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S. Mixed finite element level set method for numerical simulation of immiscible fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 425, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S. Evaluation of CFD codes on a two-phase flow benchmark reference test case, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 427, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 437, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Computational Methods in Applied Sciences, Vol. 27, 65-91, Numerical methods for differential equations, optimization, and technological problems, Springer, ISBN 978-94-007-5287-0, 2013 [BibTeX]
Hysing, S.; Turek, S. Evaluation of commercial and academic CFD codes for a two-phase flow benchmark test case, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 449, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Numerische Techniken für partikelbehaftete inkompressible Strömungen

Laufzeit: 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Peter Walzel (Universität Dortmund); Prof. Dr. Gudrun Thäter (Universität Dortmund); Prof. Dr. Heribert Blum (Universität Dortmund); Prof. Dr. David Agar (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Sven Buijssen
Förderkennzeichen: 0110411108
Beschreibung: Im Mittelpunkt dieses Projektes stehen effiziente numerische Methoden für Mehrphasenprobleme mit Partikeln in der dispersen Phase, beispielsweise bei der 2-Wege-Interaktion von Feststoffpartikeln mit dem umgebenden laminaren Fluid. Bei der direkten numerischen Simulation von partikelbehafteten Strömungen müssen die Fluidkräfte auf den einzelnen Partikeln ihr daraus resultierendes Bewegungs- und Kollisionsverhalten und die Rückwirkung auf die umgebende Strömung berechnet werden, was gerade bei hohen Partikelzahlen moderne numerische Techniken (hochauflösende Diskretisierungen, dynamische Gitteradaptivität, (semi-) implizite Zeitschrittverfahren, adaptive Kopplungs- und Steuerungsmechanismen, optimierte Mehrgitterlöser, Parallelisierung) und somit einen erheblichen mathematischen Forschungsbedarf erfordert, um eine hohe Simulationsgenauigkeit zu erzielen. Im Rahmen der Anwendungsprojekte zu Polymerisation und vor allem zu Suspensionen bzw. Partikeltrennung sollen die mathematischen Techniken an Hand spezieller Prinzipexperimente und neuer Benchmark-Konfigurationen validiert werden, um anschließend bei verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt werden zu können.
Veröffentlichungen: Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Proposal for quantitative benchmark computations of bubble dynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 351, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 371, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Transactions of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) 2008, 425--440, High Performance Computing in Science and Engineering 2008, Springer, doi: 10.1007/978-3-540-88303-6_30, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Burman, E.; Ganesan, S.; Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Parolini, N.; Tobiska, L. Quantitative benchmark computations of two-dimensional bubble dynamics, Int. J. Num. Meth. Fluids, 60, 11, 1259-1288, doi: 10.1002/fld.1934, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. A high order 3D FEM-Level Set approach for multiphase flow with application to monodisperse droplet generation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 411, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 401, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Concurrency and Computation: Practice and Experience, 6, 2247--2265, Special Issue Proceedings of ISC 2008. doi:10.1002/cpe.1584, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. Hardware-Oriented Multigrid Finite Element Solvers on GPU-Accelerated Clusters, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 406, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S. Mixed finite element level set method for numerical simulation of immiscible fluids, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 425, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S. Evaluation of CFD codes on a two-phase flow benchmark reference test case, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 427, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 437, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Mierka, O.; Damanik, H. Numerical simulation of mondisperse droplet generation in nozzles, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 452, 2012 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hysing, S.; Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Numerical study of a high order 3D FEM-Level Set approach for immiscible flow simulation, Computational Methods in Applied Sciences, Vol. 27, 65-91, Numerical methods for differential equations, optimization, and technological problems, Springer, ISBN 978-94-007-5287-0, 2013 [BibTeX]

Effiziente Löser für generalisierte inkompressible Strömungsprobleme mit besonderem Schwerpunkt auf Druck-Schurkomplementtechniken zu linearisierten Navier-Stokes-Gleichungen und Erweiterungen

Laufzeit: 2 Jahre, 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Maxim A. Olshanskii (Moscow M. V. Lomonosov State University)
Förderung: DFG/RFBR
Projektmitarbeiter: Abderrahim Ouazzi
Förderkennzeichen: 0110411015
Beschreibung: In den letzten Jahren wurde großer Aufwand zur Entwicklung von Verfahren zwecks Lösung großer (linearer) Systeme in Sattelpunktform betrieben. Der Grund für dieses Interesse ist die Tatsache, dass solche Probleme in einer Vielzahl von technischen und wissenschaftlichen Anwendungen auftreten. Insbesondere die zunehmende Beliebtheit der gemischten Finite-Elemente-Methoden in den Ingenieurwissenschaften wie Fluid- und Struktur-Mechanik ist eine der Hauptquellen für solche Sattelpunktsysteme. Die gemischten FE-Methoden ergeben sich in der Regel aus der Diskretisierung der inkompressiblen Strömungsprobleme, die zum Beispiel durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben werden. Aufgrund der Verbreitung solcher Sattelpunkt-Systeme existiert ein breites Spektrum an Literatur über die Diskretisierungsaspekte und die numerische Lösung solcher Systeme für spezielle Anwendungen, wie auch für den allgemeinen Fall. In [M. Benzi, G. Golub, J. Liesen, Numerical solution of saddle point problems, Acta Numerica 2005, Seite 1 bis 137] wird das Thema der Sattelpunkt-Probleme behandelt. Dort kann man eine Vielzahl der Referenzen bzgl. Sattelpunkt-Probleme finden. Im Buch von M. Benzi, G. Golub, J. Liesen wird gezeigt, dass der Fall von stationären und zeitabhängigen Stokes-Problemen im Wesentlichen gelöst ist. Die Entwicklung von effizienten Lösern für linearisierte Navier-Stokes-Gleichungen einschließlich konvektiver Terme (Oseen- Gleichungen) und vor allem nichtlinearer Viskosität (nicht-Newtonsche bzw. granulare Strömungen), und darüber hinaus auch für Erweiterungen, die die Navier-Stokes-Gleichungen mit zusätzlichen Werten koppeln, ist nach wie vor eine anspruchsvolle und wichtige Aufgabe auf dem Gebiet der numerischen Strömungssimulation. In diesem gemeinsamen Projekt werden wir die speziellen Kenntnisse aus beiden Forschergruppen kombinieren, in Bezug auf theoretische als auch algorithmische Aspekte zur numerischen Behandlung von inkompressiblen Fluiden, mit dem Ziel, verbesserte Lösungsstrategien zu entwickeln, zu analysieren und zu implementieren. Insbesondere werden wir uns auf Probleme von Strömungen mit nicht konstanter bzw. nichtlinearer Viskosität für kleine bis mittlere Reynolds-Zahlen, wie sie typischerweise in Micro-Devices und Milli-Reaktoren ergeben, konzentrieren. Die wichtigste Lösungsmethodik wird auf Druckschurkomplement-Techniken basieren. Solche werden entweder durch global definierte approximierende Vorkonditionierer im Druckraum konstruiert oder mittels blockweisen Operatoren, einschließlich des Druckschurkomplementes der vollständigen Strömungsgleichungen (aber in einem lokalen Sinn) definiert. Diese Ansätze werden auf Sattelpunkt-Probleme im Zusammenhang mit der FEM-Diskretisierung mit stabilen konformen sowie nichtkonformen Stokes-Elementen, inklusive verschiedener Polynom- Räume, angewandt. Wir werden die Methodik der entwickelten Löser theoretisch analysieren und die Solver-Komponenten im FEM-Paket ?FEATFLOW? realisieren. FEATFLOW ermöglicht eine Validierung und Evaluierung für eine breite Klasse von prototypischen Strömungskonfigurationen auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik.
Veröffentlichungen: Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. A discrete projection method for incompressible viscous flow with coriolis force, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 352, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. Numerical study of a discrete projection method for rotating incompressible flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 357, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. Numerical study of a discrete projection method for rotating incompressible flows, Electronic Transactions on Numerical Analysis , 32, 49--62, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for non-isothermal incompressible viscous flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 359, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. Error analysis of a projection method for the Navier--Stokes equations with coriolis force, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 368, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Finn, R. Maximum principle and gradient estimates for stationary solutions of the Navier--Stokes equations; a partly experimental investigation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 369, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. A discrete projection method for incompressible viscous flow with Coriolis force, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 197, 51-52, 4512--4520, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Turek, S.; Sokolov, A.; Olshanskii, M. Error analysis of a projection method for the Navier--Stokes equations with coriolis force, Journal of Mathematical Fluid Mechanics, 11--+, doi: 10.1007/s00021-009-0299-0; http://adsabs.harvard.edu/abs/2009JMFM..tmp...11O; Provided by the SAO/NASA Astrophysics Data System, 2009 [BibTeX] [Abstract]
Ouazzi, A.; Tardos, G.; Turek, S.; Kheiripour Langroudi, M. An investigation of frictional and collosional powder flows using unified constitutive equation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 387, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Finite element discretization and Newton-multigrid solution techniques for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 396, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for temperature and shear dependent viscosity in viscoelastic flow, 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, ACM Press, 2009 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. FEM techniques for the LCR reformulation of viscoelastic flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 399, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. A monolithic FEM approach for the log-conformation reformulation (LCR) of viscoelastic flow problems, J. Non-Newtonian Fluid Mech., 19-20, 165, 1105--1113, doi:10.1016/j.jnnfm2010.05.008, 2010 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S.; Finn, R. Maximum principle and gradient estimates for stationary solutions of the Navier--Stokes equations; a partly experimental investigation, Advances in Mathematical Fluid Mechanics-Dedicated to Giovanni Paolo Galdi on the Occasion of his 60th Birthday, Springer, doi: 10.1007/978-3-642-04068-9, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. FEM Techniques for the LCR Reformulation of Viscoelastic Flow Problems, Enumath , Part 2, 747-754, Numerical Mathematics and Advanced Applications 2009 2010, Springer, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 426, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.; Damanik, H. Monolithic Newton-multigrid solution techniques for incompressible nonlinear flow models, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Volume 71, Issue 2, 208-222, 2013 [BibTeX]

Entwurf, Analyse und Realisierung von mathematischen Methoden und High Performance Computing Techniken

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr; 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Heinrich Müller (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Dominik Göddeke
Förderkennzeichen: 0110411103
Beschreibung: Dieses Grundlagenprojekt ist interdisziplinär zwischen Numerischer Mathematik, Wissenschaftlichem Rechnen und Computergrafik angesiedelt, wobei Methoden, Techniken und Algorithmen aus allen Forschungsgebieten kombiniert, wechselseitig umformuliert und erweitert werden sollen. Ziel der beantragten Projektarbeiten ist die Entwicklung, Analyse und Realisierung von neuen Simulationstechniken, die auf modernen mathematischen Methoden basieren (Finite Elemente/Differenzen Diskretisierungen, Mehrgitterlöser/Gebietszerlegung, adaptive Gitteranpassung) und die gleichzeitig die sehr hohe Rechenleistung von datenstrombasierten Architekturen (Grafikkarten/GPU, PPU, Cell Prozessoren) ausnutzen können. Basierend auf den Entwicklungsarbeiten zum (parallelen) FEM-Programmpaket FEAST mit speziellen hierarchischen Daten- und Matrixstrukturen sollen datenstrombasierte Architekturen zur effizienten Lösung von Teilproblemen verwendet werden. Während FEAST für die hierarchische Aufteilung der globalen Probleme in lokale Teilprobleme und das Zusammenführen der Teilgebietslösungen zu einer hochgenauen globalen Lösung verantwortlich ist und dabei alle Vorteile von heutigen Programmiersprachen, parallelen Softwarekonzepten und modernen Prozessoren (CPU) ausnutzt, sollen datenstrombasierte Prozessoren als spezielle `numerische Co-Prozessoren` verwendet werden. Ähnlich zu bereits erfolgreichen GPGPU-Aktivitäten (`general purpose computation using graphics hardware`) sollen Basiskomponenten der Numerischen Linearen Algebra, insbesondere hocheffiziente Mehrgitterlöser für Partielle Differentialgleichungen, entwickelt und in Bibliotheken realisiert werden, die entsprechende Teilprobleme mit sehr hoher numerischer Effizienz und gleichzeitig einer Rechenleistung von mehreren GFLOP/s lösen können. Unsere Forschungsarbeiten werden sich dabei vor allem auf die Aspekte Genauigkeit, Effizienz, Flexibilität und Robustheit konzentrieren und erfordern sowohl mathematische wie auch softwaretechnische Grundlagenarbeiten auf allgemeinen datenstrombasierten Architekturen.
Veröffentlichungen: Göddeke, D.; Turek, S. Abschlussbericht zum DFG-Forschungsprojekt TU 102/22-2, Projektberichte, TU 102/22-2, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Göddeke, D.; Turek, S. Integrating GPUs as fast co-processors into the existing parallel FE package FEAST, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 332, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Strzodka, R. Performance and accuracy of hardware-oriented native-, emulated- and mixed-precision solvers in FEM simulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 334, 2006 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Strzodka, R. Performance and accuracy of hardware-oriented native-, emulated- and mixed-precision solvers in FEM simulations, International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 22, 4, 221--256, doi: 10.1080/17445760601122076, 2007 [BibTeX] [Abstract]
Becker, C.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Using GPUs to improve multigrid solver performance on a cluster, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 353, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Grajewski, M.; Turek, S.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Exploring weak scalability for FEM calculations on a GPU-enhanced cluster, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 354, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Grajewski, M.; Turek, S.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Exploring weak scalability for FEM calculations on a GPU-enhanced cluster, Parallel Computing, 33, 10--11, 685--699, doi: 10.1016/j.parco.2007.09.002, 2007 [BibTeX] [Abstract]
Becker, C.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Using GPUs to improve multigrid solver performance on a cluster, International Journal of Computational Science and Engineering, 4, 1, 36--55, doi: 10.1504/IJCSE.2008.021111, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Transactions of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) 2008, 425--440, High Performance Computing in Science and Engineering 2008, Springer, doi: 10.1007/978-3-540-88303-6_30, 2008 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 367, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEASTSolid and FEASTFlow: FEM applications exploiting FEAST`s HPC technologies, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 371, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Strzodka, R. Performance and accuracy of hardware-oriented native-, emulated- and mixed-precision solvers in FEM simulations (Part 2: Double Precision GPUs), Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 370, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Köster, M.; Turek, S.; Wobker, H. How to gain speedups of 1000 on single processors with fast FEM solvers - Benchmarking numerical and computational efficiency, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 382, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, International Journal of Computational Science and Engineering, 4, 4, 254--269, DOI: 10.1504/IJCSE.2009.029162, 2009 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; van Dyk, D.; Mallach, S.; Gutwenger, C. HONEI: A collection of libraries for numerical computations targeting multiple processor architectures, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 391, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; van Dyk, D.; Mallach, S.; Gutwenger, C. HONEI: A collection of libraries for numerical computations targeting multiple processor architectures, Computer Physics Communications, 180, 12, 2534--2543, DOI: 10.1016/j.cpc.2009.04.018, 2009 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Lattice-Boltzmann Simulation of the Shallow-Water Equations with Fluid-Structure Interaction on Multi- and Manycore Processors, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 400, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. Hardware-Oriented Multigrid Finite Element Solvers on GPU-Accelerated Clusters, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 406, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Performance and accuracy of Lattice-Boltzmann kernels on multi- and manycore architectures, Procedia Computer Science, 1, 1, 239 -- 247, International Conference on Computational Science (ICCS`10), Elsevier, doi: 10.1016/j.procs.2010.04.027, 2010 [BibTeX]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Lattice-Boltzmann Simulation of the Shallow-Water Equations with Fluid-Structure Interaction on Multi- and Manycore Processors, Lecture Notes in Computer Science, 6310, 92--104, Facing the Multicore Challenge, Springer, 2010 [BibTeX]
Göddeke, D.; Strzodka, R. Cyclic Reduction Tridiagonal Solvers on GPUs Applied to Mixed Precision Multigrid, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 402, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 401, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Becker, C.; Buijssen, S.; Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H. FEAST -- Realisation of hardware-oriented Numerics for HPC simulations with Finite Elements, Concurrency and Computation: Practice and Experience, 6, 2247--2265, Special Issue Proceedings of ISC 2008. doi:10.1002/cpe.1584, 2010 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D. Performance and Accuracy of Lattice-Boltzmann Kernels on Multi- and Manycore Architectures, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 404, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Strzodka, R. Cyclic Reduction Tridiagonal Solvers on GPUs Applied to Mixed Precision Multigrid, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 22, 1, 22--32, doi: 10.1109/TPDS.2010.61, 2011 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Efficient Finite Element Geometric Multigrid Solvers for Unstructured Grids on GPUs , Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 419, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Mallach, S. A Simulation Suite for Lattice-Boltzmann based Real-Time CFD Applications Exploiting Multi-Level Parallelism on modern Multi- and Many-Core Architectures , Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 420, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Efficient Finite Element Geometric Multigrid Solvers for Unstructured Grids on GPUs, 22, Second International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering, Civil-Comp Press, Young Researcher Best Paper Award (doi: 10.4203/ccp.95.22), 2011 [BibTeX] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Towards a complete FEM-based simulation toolkit on GPUS: Unstructured Grid Finite Element Geometric Multigrid solvers with strong smoothers based on Sparse Approximate Inverses, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 434, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Geveler, M.; Ribbrock, D.; Zajac, P. Towards a complete FEM-based simulation toolkit on GPUS: Unstructured Grid Finite Element Geometric Multigrid solvers with strong smoothers based on Sparse Approximate Inverses, Comp. Fluids, 80, 327--332, doi: 10.1016/j.compfluid.2012.01.025, 2013 [BibTeX]

Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: PD Dr. Franz-Theo Suttmeier (Trondheim)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Jaroslav Hron
Förderkennzeichen: 0112022 0112032
Beschreibung: Ziel ist die Zusammenführung und Weiterentwicklung der vorhandenen effizienten Komponenten zur numerischen Simulation von instationären, inkompressiblen Strömungen und Strukturdeformationen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung. Dabei sollen implizite Verfahrenskomponenten auf der Basis von FEM-Diskretisierungen in Ort und Zeit und Mehrgittertechniken verwendet werden, die einen fließenden Übergang zwischen schwacher und starker Kopplung der strömungs- und strukturmechanischen Teilprobleme und damit eine adaptive Kontrolle erlauben. Im Mittelpunkt steht daher die systematische Untersuchung von verschiedenen Kopplungsmechanismen im Rahmen von Druck-Schur Komplement Methoden mit Mehrgitterbeschleunigung. Des weiteren konzentrieren wir uns auf die Erzeugung von `gemeinsamen` (zeitabhängigen) Rechengittern mit dazugehörigen effizienten Lösern und stabilen Diskretisierungstechniken, deren Approximationsgenauigkeit durch lokale Makroadaptivität und Gitterpunktverschiebung erhöht wird. Durch die Verwendung von verallgemeinerten lokalen Tensorproduktgittern und entsprechenden Datenstrukturen und Implementierungstechniken soll damit sowohl hohe numerische Genauigkeit und Effizienz wie auch hohe Rechenleistung pro Prozessor erzielt werden; gleichzeitig wird auch eine `natürliche` Portierung des Codes auf Vektor- bzw. Parallelrechner ermöglicht.
Veröffentlichungen: Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM/Multigrid solver for ALE formulation of fluid structure interaction with application in biomechanics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 311, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Proposal for numerical benchmarking of fluid-structure interaction between an elastic object and laminar incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 312, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM solver for an ale formulation of fluid-structure interaction with configuration for numerical benchmarking, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 321, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. Proposal for numerical benchmarking of fluid-structure interaction between an elastic object and laminar incompressible flow, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 53, 371--385, Fluid-Structure Interaction - Modelling, Simulation, Optimization, Springer, ISBN 3-540-34595-7, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM/multigrid solver for ALE formulation of fluid structure interaction with application in biomechanics, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 53, 146--170, Fluid-Structure Interaction - Modelling, Simulation, Optimization, Springer, ISBN 3-540-34595-7, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S. A monolithic FEM solver for an ALE formulation of fluid-structure interaction with configuration for numerical benchmarking, 176, Books of Abstracts European Conference on Computational Fluid Dynamics, nn, Eccomas CFD 2006, 2006 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction for elastic material with point constraints, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 366, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 367, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction for elastic material with point constraints, 451-472, Advances in Mathematical Fluid Mechanics-Dedicated to Giovanni Paolo Galdi on the Occasion of his 60th Birthday, Springer, ISBN 978-3-642-04067-2, 2008 [BibTeX]
Hron, J.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical simulation of laminar incompressible fluid-structure interaction with application to aneurysm hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 385, 2009 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Göddeke, D.; Turek, S.; Wobker, H.; Strzodka, R.; Mohd-Yusof, J.; McCormick, P. Co-processor acceleration of an unmodified parallel solid mechanics code with FEASTGPU, International Journal of Computational Science and Engineering, 4, 4, 254--269, DOI: 10.1504/IJCSE.2009.029162, 2009 [BibTeX] [Abstract]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Razzaq, M.; Madlik, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 73, 193-220, Fluid-Structure Interaction II: Modelling, Simulation, Optimisation, Springer, doi 10.1007/978-3-642-14206-2, 2010 [BibTeX]
Hron, J.; Schäfer, M.; Turek, S.; Razzaq, M. Numerical Benchmarking of Fluid-Structure Interaction: A comparison of different discretization and solution approaches, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 73, 413-424, Fluid-Structure Interaction II: Modelling, Simulation, Optimisation, Springer, doi 10.1007/978-3-642-14206-2, 2010 [BibTeX]
Acker, J.; Hron, J.; Turek, S.; Wobker, H.; Madlik, M.; Razzaq, M. Numerical simulation and benchmarking of a monolithic multigrid solver for fluid-structure interaction problems with application to hemodynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 403, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Hron, J.; Schäfer, M.; Turek, S.; Wobker, H.; Razzaq, M. Numerical Benchmarking of Fluid-Structure Interaction: A comparison of different discretization and solution approaches, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 405, 2010 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Herleitung, Analyse und Realisierung von numerischen Diskretisierungstechniken und effizienten Lösern für Lattice Boltzmann Methoden

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Thomas Hübner
Förderkennzeichen: 0112031
Beschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung, numerische Analyse und Realisierung von effizienten Diskretisierungs- und Lösertechniken für Lattice Boltzmann Methoden (LBM) für inkompressible bzw. schwach kompressible Strömungen. Auf der Basis von speziellen Finite Differenzen Ansätzen auf unstrukturierten Rechengittern sollen genaue und robuste Diskretisierungen vom Typ Charakteristiken Upwinding untersucht werden, die bei geeigneter Nummerierung zu unteren Dreiecksmatrizen führen; diese Ansätze sollen mit Limiter-Techniken auf allgemeinen Gittern kombiniert werden, um zusätzlich monotone und oszillationsfreie Lösungen zu berechnen. Als Zeitdiskretisierung sollen implizite Verfahren untersucht werden, die auch in direkten stationären Zugängen verwendet werden können. Die resultierenden nichtlinearen, gekoppelten, hochdimensionalen Systeme sollen mit Quasi-Newton Methoden und Operator-Splitting Techniken behandelt werden, während die linearen Hilfsprobleme mit speziell vorkonditionierten Krylov-Raum bzw. Mehrgitterverfahren gelöst werden sollen. Insgesamt ist es das Ziel, moderne numerische Techniken für Differentialgleichungen auf LBM anzuwenden.

Numerische Simulation von heterogen-homogen gekoppelten Reaktionen bei der Hochtemperaturkatalyse in einem Strömungsumkehrreaktor

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. David Agar (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Frank Platte
Förderkennzeichen: 0112015 0112028
Beschreibung: Ziel des Projektes ist die Modellierung, Simulation und Analyse eines Strömungsumkehrreaktors (SUR) als Repräsentant eines effizienten instationären Festbettprozesses. Bei Hochtemperaturkatalysen (>700°C) kann es zusätzlich zu einem homogen-thermischen Reaktionsanteil kommen, der in der Regel heftiger abläuft und zu anderen Reaktionspfaden führen kann. Beispielhaft für eine Hochtemperaturkatalyse wird die Zersetzung von Lachgas in einem SUR untersucht. Neben einem besseren mikroskopischen Verständnis der gekoppelten Reaktionsanteile aus kinetischer Sicht ist aber auch der Einfluß auf die Ausbildung makroskopischer Profile sicherheits- und verfahrenstechnisch interessant. Die Simulation des Einschwingverhaltens instationärer Prozesse in den quasistationären Zustand wird in der Regel mittels aufwendiger dynamischer Simulation durchgeführt; für die rigorose Prozeßanalyse und -auslegung genügt die Kenntnis der quasistationären Zustände, die wesentlich effizienter mit Hilfe der direkten Berechnung erfaßt werden. Ziel ist daher die Erarbeitung einer flexiblen und effizienten direkten Berechnungsmethode - insbesondere im Hinblick auf spätere 2D/3D-Anwendungen - unter Verwendung moderner mathematischer Techniken wie Adaptivität in Ort und Zeit, schnelle Löser vom Typ Mehrgitterverfahren und hardware-orientierte Implementierungstechniken.
Veröffentlichungen: Fredebeul, C.; Kuzmin, D.; Platte, F.; Turek, S. Novel simulation approaches for cyclic-steady-state fixed-bed processes exhibiting sharp fronts and shocks, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 272, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Fredebeul, C.; Kuzmin, D.; Platte, F.; Turek, S. Novel simulation approaches for cyclic steady-state fixed-bed processes exhibiting sharp fronts and shocks, International Series of Numerical Mathematics, 151, 207--223, Trends and Applications in Constructive Approximation, editors, M. G. de Bruin, D. H. Mache & J. Szabados, Birkhäuser Verlag Basel/Switzerland, 2005 [BibTeX]
Agar, D.; Nalpantidis, K.; Platte, F.; Turek, S. Elucidation of hybrid N2O decomposition using axially structured catalyst in reverse flow reactor, Chemical Engineering Science, 61, 10, 3176--3185, 2006 [BibTeX]
Agar, D.; Platte, F.; Turek, S.; Lindner, F. Effect of intermediated chemical compounds NO on the hybrid N2O decomposition under periodical flow reversal conditions, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 348, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]

Effiziente FEM-Diskretisierungen und Mehrgitter-Löser für mehrphasige Strömungen unter besonderer Berücksichtigung von Blasensäulenreaktoren

Laufzeit: 2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Juniorprof. Dr. Dmitri Kuzmin (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Pavel Kotalik Otto Mierka
Förderkennzeichen: 0112009 0112029 0112030
Beschreibung: Ziel dieses Projektes ist die Erweiterung der vorhandenen hocheffizienten Komponenten zur numerischen Simulation von einphasigen, inkompressiblen Strömungen in 2D/3D auf den Fall mehrphasiger Konfigurationen. Dazu sollen die bisher entwickelten und schon im Programmpaket FeatFlow realisierten numerischen Ansätze für die inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen (spezielle nichtkonforme FEM-Diskretisierungen mit Upwind/Stromlinien-Diffusions Stabilisierung, semi-adaptive Ortsgitter, voll-implizite Zeitschrittverfahren mit adaptiver Schrittweitensteuerung, Pressure-Schur-Complement Methoden für Sattelpunktprobleme, rigorose Mehrgitteranwendung) auf zweiphasige Strömungen in Blasensäulenreaktoren angewendet werden. Als eine der Hauptaufgaben müssen gekoppelte Systeme von (nichtlinearen) transport-dominierten Gleichungen für die Gas-Phase und für die chemischen Reaktionen mit Massenaustausch an den Navier-Stokes Teil für die Flüssigkeit dahingehend angekoppelt werden, daß die einzelnen neuen Teilprobleme hinreichend genau approximiert und effizient gelöst werden können und das gekoppelte Gesamtsystem mit einer hohen Gesamteffizienz numerisch simuliert werden kann. Damit sollen numerische Mehrphasensimulationen mit ähnlicher Güte durchgeführt werden können wie schon in FeatFlow für komplexe, instationäre Strömungen realisiert werden konnte.
Veröffentlichungen: Kuzmin, D.; Turek, S. Algebraic flux correction III. incompressible flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 270, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. Numerical simulation of turbulent bubbly flows, Proceedings of the Third International Symposium on Two-Phase Flow Modeling and Experimentation, nn, Pisa, 2004, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. Finite element discretization tools for gas-liquid flows, Heat and Mass Transfer, VIII, 191--201, Bubbly Flows - Analysis, Modelling and Calculation, Springer, ISBN: 3-540-40791-X, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Haario, H.; Kuzmin, D.; Turek, S. Finite element simulation of turbulent bubbly flows in gas-liquid reactors, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 298, 2005 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Löhner, R.; Turek, S. Flux-Corrected Transport, Scientific Computation, Springer, Subtitle: Principles, Algorithms and Applications, 3-540-23730-5, 2005 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. Finite element simulation of turbulent bubbly flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 317, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Mehrmann, V.; Turek, S.; Sokolov, A.; Schlauch, S. Population Balances Coupled with the CFD-Code FeatFlow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 324, 2006 [BibTeX] [Abstract]
Hysing, S.; Kashid, M.; Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O. Mathematical modeling and numerical simulations of reactive flows in channels, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 346, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. On the implementation of the k-epsilon turbulence model in incompressible flow solvers based on a finite element discretization , IJCSM, 2/3/4, 193--206, 2007 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Turek, S.; Mierka, O. On the implementation of the k-epsilon turbulence model in incompressible flow solvers based on a finite element discretization , Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 345, 2007 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Modeling and numerical aspects of population balance equations in gas/liquid-liquid two phase flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 374, 2008 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Numerical Aspects and Implementation of Population Balance Equations Coupled with Turbulent Fluid Dynamics, Computers and Chemical Engineering, 35, 2204-2217 , DOI information: 10.1016/j.compchemeng.2011.04.001 , 2008 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Platte, F.; Turek, S.; Mierka, O.; Bayraktar, E. Numerical Aspects and Implementation of Population Balance Equations Coupled with Turbulent Fluid Dynamics, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 423, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. Algebraic Flux Correction III Incompressible Flow Problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 440, 2011 [BibTeX] [PDF] [Abstract]
Kuzmin, D.; Löhner, R.; Turek, S. Flux-Corrected Transport, Springer, 2nd edition, 978-94-077-4037-2, 2012 [BibTeX]

Analyse und Nachbearbeitung von räumlich und zeitlich komprimierten Strömungsrechnungen

Laufzeit: 2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. Martin Rumpf (Universität Bonn)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Jens Acker
Förderkennzeichen: 0112014 0112024 0112025
Beschreibung: Die Nachbearbeitung von zeitveränderlichen Strömungsinformationen erfordert erhebliche Anstrengungen bezüglich der verwendeten mathematischen Methoden und algorithmischen Hilfsmittel. Insbesondere bei mehrskaligen komplexen Phänomenen der 3D Strömungsdynamik treten ein Vielzahl von Problemen auf. Die typischerweise enorm große Menge an auszuwertenden Informationen verhindert eine gleichzeitige Behandlung eines ausreichend großen Teiles der Informationen in Raum und Zeit. Die Standardvisualisierungswerkzeuge helfen beim Verständnis der zugrunde liegenden Phänomene nicht. In der Tat führen sie eher zu einer unübersichtlichen Darstellung. Es wäre hilfreich, wenn markante Merkmale automatisch, anstatt mittels zeitraubender manueller Nachforschungen in den Daten mit einfachen grafischen Werkzeugen, extrahiert werden könnten. Wir werden verschiedene Kompressionsmethoden, welche auf stabilen Zeitschrittverfahren und raum-zeitlich angepasster Fehlerkontrolle basieren, implementieren und untersuchen, um die Informationsmenge wesentlich zu reduzieren. Darüber hinaus werden wir die Methoden der Bildverarbeitung anwenden, um komplexe zeitabhängige Strömungen angemessen darzustellen und um wichtige Strömungsmuster zu extrahieren. Deshalb werden Mehrskalenmethoden betrachtet, die natürlicherweise eine ganze Skala unterschiedlicher Datenauflösungen, entweder von feinen hin zu groben Strömungsvisualisierungen oder von detaillierten Feinstrukturen hin zu einigen wenigen wesentlichen Strukturen, unterstützen. Darüber hinaus erlauben moderne numerische Methoden, vor allem für Probleme mit geringer Dynamik (Strömungen ohne Turbulenz), signifikante große Zeitschritte. In der Nachbearbeitung erweist sich eine einfache Interpolation nicht als die geeignete Lösung. Wir werden Bildübereinstimmungsmethoden als neuen Ansatz zur Interpolation der Zeitschritte einer Strömungssimulation zu Animationszwecken überprüfen. Es muss dabei eine angemessene Balance zwischen interaktiver Leistung und Genauigkeit gefunden werden. Schließlich werden die entwickelten Visualisierungs- und Analysewerkzeuge in einen einzigen Rahmen zusammen mit den numerischen Strömungslösern integriert werden.
Veröffentlichungen: Acker, J.; Agar, D.; Franzke, J.; Gerlach, I.; Goetz, S.; Kashid, M.; Platte, F.; Turek, S. Internal circulation within the liquid slugs of liquid-liquid slug flow capillary microreactor, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 278, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Acker, J.; Rumpf, M.; Turek, S. Analysis and Postprocessing of Space-Time Compressed Flow Computation, DFG Evaluierung SP 1114 18. - 19. April 2005, 2005 [BibTeX] [Abstract]
Acker, J.; Agar, D.; Franzke, J.; Gerlach, I.; Goetz, S.; Kashid, M.; Platte, F.; Turek, S. Internal Circulation within the Liquid Slugs of a Liquid-Liquid Slug-Flow Capillary Microreactor, Ind. Eng. Chem. Res, 44, 5003-5010, 2005 [BibTeX] [Abstract]

Keramische Plattenwärmeaustauscher und katalytisch beschichtete keramische Wandreaktoren als Mikroreaktoren für heterogen katalysierte Synthesereaktionen

Laufzeit: 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr. David Agar (Universität Dortmund)
Förderung: BMBF
Projektmitarbeiter: Shuren Hysing Frank Platte
Förderkennzeichen: 0112018
Beschreibung: Ziel ist die Entwicklung keramischer Wandreaktoren und keramischer Plattenwärmeaustauscher zum Einsatz als Mikroreaktoren für heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen. Durch Einsatz dieser Reaktoren mit geeigneter Anpassung von katalytischer Aktivität, diffusivem Stofftransport und Wärmeabfuhr soll duch Optimierung der Temperaturführung die Reaktorleistung deutlich gesteigert und ein allgemeingültiges, preiswertes Reaktorkonzept mit geringem Entwicklungsaufwand erarbeitet werden. An der Universität Dortmund (Angewandte Mathematik, Technische Chemie B) werden die keramischen Plattenwärmeaustauscher durch CFD-Simulation strömungs- bzw. reaktionstechnisch optimiert. Sowohl die keramischen Wandreaktoren als auch die keramischen Plattenwärmeaustauscher werden am Hermsdorfer Institut für Technische Keramik entwickelt und angefertigt. Die Reaktoren werden bei OMG katalytisch beschichtet und ihre Reaktorleistung an der Universität Dortmund (Technische Chemie B) untersucht. Zahlreiche Unternehmen der chemischen Industrie haben bereits ihr Interesse an der Nutzung der katalytisch beschichteten keramischen Wandreaktoren und keramischen Plattenwärmeaustauscher bekundet.

Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen

Laufzeit: 1 Jahr; 6 Monate (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: PD Dr. Franz-Theo Suttmeier (Universität Dortmund)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Jaroslav Hron
Förderkennzeichen: 0112013 0112020
Beschreibung: Das Ziel ist die Herleitung und Realisierung von effizienten numerischen Methoden für industrierelevante Probleme mit Fluid-Struktur-Kopplung. Da in vielen Anwendungen hochgradig instationäre Wechselwirkungen auf verschiedenen Skalen in Ort und Zeit erfaßt werden müssen, ist der Bedarf an Speicherplatz und vor allem Rechenzeit selbst auf Hochleistungsrechnern eines der Hauptprobleme. Daher müssen moderne numerische Methoden verwendet werden, die auf genauen und robusten Diskretisierungen und sehr effizienten Lösern für die (nichtlinearen) hochdimensionalen Gleichungssysteme beruhen. Gleichzeitig müssen Datenstrukturen und Implementierungstechniken verwendet werden, die schon auf (Einzel-)Prozessoren einen signifikanten Anteil der verfügbaren Rechenleistung von nahezug 1 GFLOP/s erzielen. Da unsere Hauptanwendungen inkompressible Strömungen sind, die zwar weitgehend laminares, aber dabei nichtlineares Fließverhalten aufweisen können, müssen spezielle FEM-Ansätze in Ort und Zeit verwendet werden, die rigorose Fehlerschätzung und adaptive Strategien zur Genauigkeitserhöhung erlauben. Zusammen mit optimierten Mehrgittertechniken sollen damit strömungs- und strukturmechanische Lösungskomponenten realisiert werden, die mit speziellen Methoden zur Gittersteuerung und Integration von Randwerten und unter Verwendung geeigneter Kopplungsmechanismen auf gekoppelte Probleme in zeitabhängigen Gebieten erweitert werden können.

Effiziente numerische Simulation der Fließvorgänge granularer Medien auf der Basis von Stoffmodellen

Laufzeit: 2 Jahre; 2 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Externe Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Günter Rombach (TU Hamburg-Harburg)
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Abderrahim Ouazzi
Förderkennzeichen: 0112012 0112021
Beschreibung: Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die bestehenden Programmpakete zur numerischen Simulation von Fluidströmungen (FeatFlow) und von Lagerungs- und Entleerungsvorgängen in Silozellen (Silo) in Hinblick auf die Stoffmodelle für granulare Medien einerseits und die numerischen Algorithmen andererseits erweitert werden. Den verwendeten Stoffmodellen für Schüttgüter kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da sowohl Festkörperverhalten (bei der Lagerung) als auch Fließverhalten (bei der Entleerung) kontinuierlich abgedeckt werden müssen. In dem Programm Silo sollen auf der Grundlage der mit FeatFlow gemachten Erfahrungen effizientere numerische Algorithmen implementiert werden, damit dynamische Vorgänge genauer untersucht werden können. Da in vielen Anwendungen instationäre Wechselwirkungen auf verschiedenen Skalen in Ort und Zeit auftreten können, ist der Bedarf an Speicherplatz und vor allem an Rechenzeit selbst auf Hochleistungsrechnern ein Hauptproblem. Daher müssen moderne numerische Methoden verwendet werden, die auf genauen robusten Diskretisierungen und sehr effizienten Lösern für die (nichtlinearen) hochdimensionalen Gleichungssysteme beruhen. Gerade durch den Austausch der Erfahrungen auf dem numerischen und mechanischen bzw. silospezifischen Gebiet und der möglichen Durchführung von vergleichenden Berechnungen wird ein wesentlicher Garant für den Erfolg des Forschungsvorhabens gesehen.
Veröffentlichungen: Ouazzi, A.; Schmachtel, R.; Turek, S. Multigrid methods for stabilized nonconforming finite elements for incompressible flow involving the deformation tensor formulation, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 216, 2002 [BibTeX] [Abstract]
Ouazzi, A.; Schmachtel, R.; Turek, S. Multigrid methods for stabilized nonconforming finite elements for incompressible flow involving the deformation tensor formulation, J. Num. Math., 10, 3, 235--248, 2002 [BibTeX] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S. Numerical methods and simulation techniques for flow with shear and pressure dependent viscosity, 668--676, Numerical Mathematics and Advanced Applications, Springer, Enumath 2003 Prague; ISBN-Nr. 3-540-21460-7, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Ouazzi, A.; Turek, S. Numerical methods and simulation techniques for flow with shear and pressure dependent viscosity, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 241, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S. A computational comparison of two FEM solvers for nonlinear incompressible flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 228, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S. Finite element methods for the simulation of incompressible powder flow, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 269, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Ouazzi, A. Finite element simulation of nonlinear fluids with application to granular material and powder, PhD Thesis, 2005 [BibTeX] [Abstract]
Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S. Finite element methods for the simulation of incompressible powder flow, Communications in Numerical Methods in Engineering, 21, 10, 581--596, 2005 [BibTeX]
Ouazzi, A.; Turek, S. Numerical simulation of powder flow by Finite Element methods, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 326, 2006 [BibTeX] [Abstract]

Effiziente FEM-Simulationen zur Optimierung von industriellen Gas-Flüssigkeits-Reaktoren

Laufzeit: 3 Jahre (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: BMBF
Projektmitarbeiter: Dmitri Kuzmin Decheng Wan
Förderkennzeichen: 0112010
Beschreibung: Blasensäulen und Schlaufenreaktoren sind Standardapparate zur Durchführung chemischer Reaktionen zwischen gasförmigen und flüssigen Spezies. Dabei zeigen die Strömungsvorgänge aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Hydrodynamik, Stoffübergang und Reaktion ein komplexes Verhalten. Dynamische numerische Simulation hat sich als ein erfolgversprechendes Instrument für Auslegung und Scale-Up solcher Reaktoren erwiesen. Der gängigen CFD-Software fehlt aber oft die zur Berechnung realistischer dreidimensionaler Konfigurationen notwendige Effizienz. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, robuste, effiziente und vor allem genaue numerische Verfahren zu entwickeln und zusammen mit High-Performance-Computing Techniken in das vorhandene Simulationsprogramm BUBBLE APPS einzubauen. Der Kernpunkt des Vorhabens ist dabei die Optimierung von Einbauten in industriellen Schlaufenreaktoren in Absprache mit der BASF AG Ludwigshafen.
Veröffentlichungen: Kuzmin, D.; Turek, S. Flux correction tools for finite elements, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 209, 2001 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. Flux correction tools for finite elements, J. Comput. Phys., 175, 2, 525--558, 2002 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Turek, S. Multidimensional FEM-FCT schemes for arbitrary time-stepping, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 215, 2002 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. High resolution FEM-TVD schemes based on a fully multidimensional flux limiter, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 229, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Turek, S. Multidimensional FEM-FCT schemes for arbitrary time-stepping, Int. J. Num. Meth. Fluids, 42, 3, 265--295, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Turek, S. High resolution FEM-FCT schemes for multidimenstional conservation laws, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 231, 2003 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M. Algebraic Flux Correction I. Scalar Conservation Laws, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 249, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M. Algebraic Flux Correction II. Compressible Euler Equations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 250, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. Algebraic flux correction III. incompressible flow problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, 270, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Möller, M.; Turek, S. High-resolution FEM-FCT schemes for multidimensional conservation laws , Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 193, 45--47, 4915--4946, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Turek, S. High-resolution FEM-TVD schemes based on a fully multidimensional flux limiter, J. Comput. Phys., 198, 131--158, 2004 [BibTeX] [Abstract]
Kuzmin, D.; Löhner, R.; Turek, S. Flux-Corrected Transport, Scientific Computation, Springer, Subtitle: Principles, Algorithms and Applications, 3-540-23730-5, 2005 [BibTeX]
Kuzmin, D.; Löhner, R.; Turek, S. Flux-Corrected Transport, Springer, 2nd edition, 978-94-077-4037-2, 2012 [BibTeX]

Konzepte und Realisierung von Adaptivität, Fehlerkontrolle und schnellen Lösern bei FEM-Diskretisierungen unter besonderer Berücksichtigung von moderner Prozessorarchitektur

Laufzeit: 2 Jahre; 1 Jahr (abgeschlossen)
Projektleiter: Stefan Turek
Förderung: DFG
Projektmitarbeiter: Susanne Kilian
Förderkennzeichen: 0112008 0112016
Beschreibung: Dieses auf 3 Jahre konzipierte Teilprojekt ist eingebettet in das FEAST Projekt, dessen Ziel die Entwicklung von neuen numerischen Simulationswerkzeugen ist, die zum einen auf modernen mathematischen Methoden basieren (Finite-Elemente-Diskretisierungen, Mehrgitterverfahren, a-posteriori Fehlerkontrolle, adaptive Gittersteuerung), zum anderen aber auch moderne Prozessorentwicklungen (Cache-Orientierung, Pipelining, Superrechner vom Typ Vektorrechner oder massiv parallele Computersysteme) explizit berücksichtigen. Basierend auf den bisherigen Entwicklungsarbeiten zum neuen FEM-Programmpaket FEAST (`Finite Element Analysis & Solution Tools`) sollen dessen spezielle hierarchischen Daten-, Löser- und Matrixstrukturen erweitert werden, damit auch komplexe FEM-Komponenten - a posteriori Fehlerkontrolle, adaptive Gittersteuerung und rekursiv hierarchische Mehrgitterlöser - durch prozessorangepaßte Algorithmen und Implementierungen wesentlich beschleunigt werden. Die zu erwartenden Effizienzsteigerungen im Bereich von bis zu mehreren Größenordnungen für bestimmte Problemklassen sind dringend notwendig, wenn praxisnahe Probleme in 2D und vor allem in 3D mit oftmals zeitabhängigem Lösungsverlauf erfolgreich behandelt werden sollen.

Ort	Mathematikgebäude Raum 1049
Telefon	+49 231 755-3076
Fax	+49 231 755-5933
E-Mail	Numerik

Labels

Header

Serviceline

Corporate Design Logos

Body

Hauptnavigation

Brotkrumennavigation

Bereichsnavigation

Hauptinhalt

Projekte

Projektverzeichnis

ExtremSimOpt: Modellierung, Simulation und Optimierung von Strömungsvorgängen unter Extrembedingungen

Skalierbare, rekursiv konfigurierbare, massiv-parallele FEM-Mehrgitterlöser für heterogene Rechnerarchitekturen - Design, Analyse und Realisierung in FEAST mit Anwendung in der Strömungsmechanik

Asynchrone und fehlertolerante parallele Mehrgitterverfahren für zukünftige HPC-Rechner

Hydrodynamik für feuchte Partikelsysteme - Modellierung, Simulation und Validierung mittels mikro- und makroskopischer Zugänge

EXA-DUNE: Flexible PDE Löser, Numerische Methoden und Anwendungen

Modellierung und numerische Simulation von Beschichtungsvorgängen mittel thermischer Spritztechnik

Lattice-Boltzmann-Methoden für skalierbare Multi-Physik-Anwendungen

Geometrieverarbeitung für die Virtuelle Realisierung produktionstechnischer Prozesse

Hierarchische Lösungskonzepte in der optimalen Strömungskontrolle

Numerische Simulation zur Herstellung monodisperser Tropfen in pneumatischen Ziehdüsen

Herleitung und Realisierung von hochauflösenden FEM-Diskretisierungsverfahren und effizienten iterativen Lösern zur numerischen Simulation von konvektionsdominanten Strömungen

Nichtkonforme Finite Elemente höherer Ordnung: Diskretisierung, Schnelle Löser und Anwendung im Bereich Computational Fluid Dynamics

Herleitung und Realisierung von Methoden zur a posteriori Gitteradaption für hochauflösende Finite-Elemente-Diskretisierungen mit Anwendung auf kompressible Gasströmungen

Effiziente FEM-Diskretisierungstechniken und Schnelle Löser für gekoppelte Feststoff-Fluid Probleme in geotechnischen Herstellungsprozessen auf der Basis der Theorie Poröser Medien (TPM)

Effiziente Simulationstechniken für robuste Least-Squares FEM in der Fluiddynamik

Entwicklung und Validierung eines Simulationsansatzes zum Entgraten mikrostrukturierter Formgedächtnisbauteile durch Abrasivwasserstrahlen

Fictitious Boundary Methoden für mehrphasige Strömungsprobleme mit Feststoffpartikeln

Monolithische ALE-Verfahren und gekoppelte Mehrgitterlöser für Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Experimentelle Untersuchung des Verweilzeitverhaltens in Mikroreaktoren - Einfluss verschiedener Geometrien

Effiziente Numerik nicht-isothermer hochviskoser Mehrphasenströmungen zur Simulation des Herstellungsprozesses gradierter Mikroschäume

Level-Set-Methoden für inkompressible Strömungen mit freien Grenzflächen

Numerische Techniken für partikelbehaftete inkompressible Strömungen

Effiziente Löser für generalisierte inkompressible Strömungsprobleme mit besonderem Schwerpunkt auf Druck-Schurkomplementtechniken zu linearisierten Navier-Stokes-Gleichungen und Erweiterungen

Entwurf, Analyse und Realisierung von mathematischen Methoden und High Performance Computing Techniken

Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Herleitung, Analyse und Realisierung von numerischen Diskretisierungstechniken und effizienten Lösern für Lattice Boltzmann Methoden

Numerische Simulation von heterogen-homogen gekoppelten Reaktionen bei der Hochtemperaturkatalyse in einem Strömungsumkehrreaktor

Effiziente FEM-Diskretisierungen und Mehrgitter-Löser für mehrphasige Strömungen unter besonderer Berücksichtigung von Blasensäulenreaktoren

Analyse und Nachbearbeitung von räumlich und zeitlich komprimierten Strömungsrechnungen

Keramische Plattenwärmeaustauscher und katalytisch beschichtete keramische Wandreaktoren als Mikroreaktoren für heterogen katalysierte Synthesereaktionen

Realisierung von schnellen Lösern und effizienten Datenstrukturen für Probleme mit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen

Effiziente numerische Simulation der Fließvorgänge granularer Medien auf der Basis von Stoffmodellen

Effiziente FEM-Simulationen zur Optimierung von industriellen Gas-Flüssigkeits-Reaktoren

Konzepte und Realisierung von Adaptivität, Fehlerkontrolle und schnellen Lösern bei FEM-Diskretisierungen unter besonderer Berücksichtigung von moderner Prozessorarchitektur

Nebeninhalt

Info

Kontakt (Lehrstuhl)

Footer