Computational Fluid Dynamics and Simulation Lab
(formerly "Projektorientiertes Softwarepraktikum")

Informationen zum CFDS Lab im Sommersemester 2024 und zur Voranmeldung finden Sie auf der Vorlesungsseite.
Den Aushang für 2024 gibt es bereits als PDF.
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.
Das Praktikum in den Mitteilungen der DMV
Über das Praktikum als Online-Veranstaltung in den Pandemiejahren 2020/2021 haben wir in diesem Artikel berichtet.
Podcasts zum Praktikum
Der Modellansatz: Modell243- Benchmark OpenLB || 20.08.2021 || Benchmark OpenLB: Sarah Bischof, Timo Bohlig und Jonas Albrecht befassten sich mit Strömungsmodellen und deren Simulation auf den Hochleistungrechnern am KIT. Mit Hilfe von Benchmark Tests auf dem HPC konnte die maximale Skalierbarkeit einer Aorta Simulation mit Hilfe von OpenLB in Abhängigkeit der Problemgröße gefunden werden..
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 SS23
1. Four Roll Mill
3D Implementierung und Auswertung von klassischen Experimenten zu Multikomponentenströmungen.
2. Reaction in a Packing Geometry
Simulation von Hydrodynamik und chemischen Reaktionen in einem Festbettreaktor.
3. Atmospheric Vortex Method
Implementierung und Auswertung einer Simulationsmethode für turbulente Luftströmungen.
4. Heat Exchanger
Strömungssimulation durch einen Wärmetauscher.
Projekte aus dem SS22
1. Bouzidi Boundaries on GPUs
Implementierung und Auswertung von Interpolationsrandbedingungen in LBM auf GPUs
2. Flow Around an Airfoil
Implementierung und Auswertung von Luftströmungs-Simulationen um Tragfrügelprofile
3. Particle Rebound
Untersuchung des Rückpralls eines Teilchens von einer flachen Wand in einer flüssigen Umgebung.
4. Fixed Bed Reactor
Simulation von Hydrodynamik und Substrattransport einer Veresterung in einem Festbettreaktor.
5. Visualization of Simulation Data
Visualisierung von Simulationsdaten mittels Virtual Reality Technologie.
Projekte aus dem SS21
1. Advection-Diffusion Equation
Konstruktion von LBM für eine skalare 3D Advektions-Diffusions-Gleichung mit möglicherweise nicht glatten Anfangsbedingungen und Konvergenzuntersuchungen.
2. Particle Simulation
Vergleich von zwei Simulationsansätzen: sub-grid particles und surface resolved particles mit "Homogenised Lattice Boltzmann Method".
3. Performance Study of Aorta Simulation
Detaillierte Benchmark Simulationen auf dem bwUniCluster.
4. Interpolated Bounce Back
Implementierung neuer Bounce Back Randbedingugnen mit dem Fokus auf Performance.
5. Particle Collision
Untersuchung der Kollision zweier sphärischer Partikel.
6. Laminar Tube Flow
Berechnung von Ableitungen mithilfe algorithmischer Differentiation (AD).
7. Phosphate Adsorption
Adsorption von Phosphat bei Calciumpartikeln mit Variation der Partikelform, -größe, -postion und -anzahl.
8. Reaction Simulation
Simulation einer homogenen chemischen Reaktion für mehrere Species.
9. Optimization of a frisbee's geometry
Implementierung von Optimierungsmethoden.
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