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Projektorientiertes Softwarepraktikum

about

Das Praktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group (LBRG) weiter entwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen.

Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab:
Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein einführendes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, z.B. aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, die die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet.

Podcasts zum Praktikum
Der Modellansatz: Modell214- Gastransport || 08.08.2019 || Gastransport: Larissa Dietz und Jonathan Jeppener betrachten den Stofftransport von CO2-Gas in flachen Photobioreaktoren, die mit großer Oberfläche den Einfall von viel Licht ermöglichen. Dies dient der Algenzucht im industriellen Maßstab, um die weltweite Nachfrage nach schnell nachwachsender Nahrung und erneuerbaren Energiequellen zu befriedigen.

Der Modellansatz: Modell215- Poiseuillestrom || 15.08.2019 || Poiseuillestrom: Ayca Akboyraz und Alejandro Castillo befassten sich mit der stationären Poiseuillestrom-Lösung, die sich als zeitlich stationäre Lösung in einem Zylinder einstellt, wenn am Rand eine Haftbedingung vorliegt. Die paraboloid verlaufende Lösung ist erfüllt auch die nicht-linearen Navier-Stokes-Gleichungen.

Der Modellansatz: Modell218 - Binärströmung || 03.10.2019 || Binärströmung: Anne Bayer und Tom Braun betrachten und modellieren im projektorientierten Praktikum einen Würfel, in dem zwei Flüssigkeiten enthalten sind, die sich nicht mischen können und so eine diffuse Grenzfläche zwischen beiden entsteht.

Weitere Podcasts
https://www.lbrg.kit.edu/page/podcasts/

Projekte aus dem SS20
1. Advection-Diffusion Equations
Konstruktive Formulierung von Relaxationssystemen und Diskreten Geschwindigkeits Modellen für lineare Advektions-Diffusions-Gleichungen.
2. Binary Shear Flow Simulation I
Numerische Evaluation von Free Energy Lattice Boltzmann Methoden für Binäre Scherströmung in 2D.
3. Binary Shear Flow Simulation II
Numerische Validierung von Mehrkomponenten Simulationen für Binäre Scherströmung in 2D und 3D.
4. Airflow Simulation
Numerischer Vergleich von Effekten verschiedener passiver Kühlungskonzepte auf die Ladung in Elektrofahrzeugen.
5. Particle Simulation II
Homogenisierte Lattice Boltzmann Methoden zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf Falltrajektorien von 3D Objekten in Wasser.
6. Porous Cylinder
Nachlaufuntersuchung für poröse Zylinder anhand von Frequenzspektren.
7. Poisseuille Flow
Vergleich von Randbedingungen in LBM für Poiseuille Strömungen in 2D und 3D.
8. Backward Facing Step
Einfluss von Randbedingungen und Reynoldszahl auf charakteristische Größen in einem klassischen CFD-Benchmark.
9. Flettner Rotor
Simulation und Validierung von Funktionsprinzipien basierend auf dem Magnus-Effekt.
10. Duct Flow
Numerische Analyse und Runtime Vergleich von Lattice Boltzmann und Finite Differenzen Methoden für Kanalströmungen.

Projekte aus dem SS19
1. Drag Minimisation I
Bestimmung der Form eines Objektes mit minimalen Widerstandsbeiwertes in einem Strömungskanal.
2. Drag Minimisation II
Optimierung von Drag und Lift eines Flügels mithilfe von Automatischen Differenzieren.
3. High Performance Computing
Überprüfung der Skalierung bei parallelem Rechnen in einfachen und komplexen Geometrien.
4. Porous Media Simulation
Numerische Validierung von Strömungen durch poröse Medien.
5. Particle Simulation I
Analyse der Kollision zweier Kugeln in Wasser.​
6. Particle Simulation II
Untersuchung des Fallverhaltens von Partikeln mit unterschiedlicher Größe und Form in einem Wasserbehälter.
7. Binary Fluid Simulation
Bestimmung der numerischen Konvergenzordnung für die Druckdifferenz zweier Fluide bei der Young-Laplace-Gleichung.
8. Turbulent Flow Simulation I
Validierung eines Turbulenzmodells mithilfe des Taylor-Green-Vortex Testfalls.
9. Turbulent Flow Simulation II
Untersuchung des Taylor-Green-Vortex Testfalls für unterschiedliche Initalisierungsverfahren.
10. Poiseuille Flow
Validierung und Untersuchung einer Kanalströmung mit Poiseuille Profil.
11. CO2 Concentration
Simulation von CO2-Konzentrationen in Bioreaktoren.​

Modulbeschreibung

  • Termine: im SS immer Di und Fr 9:45-11:15 (Präsenztermine zu Beginn, in der Mitte für die Einteilung, am Ende für die Vorträge)
  • Ort: Mathebau
  • Leistungspunkte: 4 ECTS
  • Zielgruppe: geeignete Studiengänge
  • Empfohlene Leistung: Bezug zur immer gleichzeitig stattfindenden Vorlesung Numerical Methods in Fluidmechanics (2+1 SWS, 4 ECTS), als mögliche theoretische Ergänzung
  • Sprache: deutsch und englisch
  • Kontaktadressen: mathias.krause@kit.edu und gudrun.thaeter@kit.edu