Forschungverfahren

Simulationen werden oft, neben der theoretischen und experimentellen Betrachtungsweise, als dritter Pfeiler der Wissenschaft gesehen.

Simulationsstechniken sind eine Plattform auf der wissenschaftliche Theorien angewandt und untersucht werden können, indem mathematische Modelle numerisch gelöst werden. Durch das Vergleichen von simulativen und experimentellen Daten kann die Qualität dieser mathematischen Modelle bemessen werden. Dieser Prozess beinhaltet die Modellentwicklung und Implementierung, die Anwendung des numerischen Frameworks sowie die Analyse und Interpretation der numerischen Ergebnisse. In einem Positionspapier des deutschen Wissenschaftsrat wird die Simulation als strategisch wichtiges Feld der Wissenschaft hervorgehoben und es wird vorgeschlagen ausreichend viele Jungwissenschaftler an den Universitäten mit Bezug zu Simulationen auszubilden. Zudem wird zur Intensivierung der Zusammenarbeit zwischen den unterschiedlichen Wissenschaftsdisziplinen und der Industrie ermutigt.

Systematisches Forschungsverfahren

Die numerische Simulation von Thermo-Fluid Systemen spielt in der Erforschung und Entwicklung innovativer Technologien jetzt schon eine signifikante Rolle, welche in der Zukunft noch an Bedeutung gewinnen wird. Neben den Verbrennungsprozessen in Brennkammern, Kraftwerken, Gasturbinen, Flugzeugantriebe und Verbrennungsmotoren gibt es außerdem viele reaktive und nicht-reaktive Systeme in der Verfahrenstechnik und dem Maschinenbau. Beispiele hierfür sind die Synthesegas-Herstellung, chemische Energiespeicherkonzepte sowie die heterogene Katalyse.

Charakteristisch für alle diese Prozessen ist eine starke Kopplung vom Wärme- und Massentransfer während der chemischen Reaktionen. Dadurch bietet sich die Simulation als interdisziplinäres Forschungswerkzeug an und erleichtert die Zusammenarbeit unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen und ermöglicht das gemeinsame Lösen von Forschungsfragen.

Die Arbeit an unserem Institut ist charakterisiert durch das Zusammenspiel aus Grundlagenforschung und anwendungsnaher Wissenschaft, diese nahe Kollaboration spiegelt sich auch in unserem Forschungsansatz wieder (siehe Abbildung). Jedes Forschungsprojekt beginnt mit der theoretischen Auseinandersetzung mit der Fragestellung und dem Entwickeln von fundamentalen Modellen, diese werden Schritt für Schritt validiert durch die Nutzung von Daten aus Referenzsystemen. Im Anschluss werden diese validierten fundamentalen Modelle schließlich auf die realistischen Bedingungen angepasst, um technische Anwendungen (wie beispielsweise Motoren, Reaktoren, Katalysatoren, etc.) simulieren zu können. Dies ist insbesondere notwendig, da die Menge an experimentelle Daten hier sehr limitiert ist.

Software

Die Abbildung oben stellt die Software-Packages dar, die entwickelt und hauptsächlich an unserem Institut genutzt werden. Diese Software-Packages werden in drei Kategorien eingeteilt: Modelentwicklung, Modelvalidierung und Modelanwendung (horizontal in der Abbildung). Die selbstentwickelte software ULF (Universal Laminar Flame Solver) wird in allen drei Kategorien, aber auch in der akademischen Lehre, genutzt. ULF ist ein Werkzeug, welches nicht nur für 0D, 1D oder 2D Probleme (z.B. für die numerische Lösung von Flamelet-Gleichungen, Verdunstungen von Tröpfchen oder Population Balance mit QMOM) sondern auch für die Simulation von gekoppelten Fluss- und Transport Prozesse in Poren von Katalysatoren genutzt werden kann. Um die in ULF generierten Modelle zu validieren und ihre Anwendung zu simulieren (mittlere und rechte Seite der Abbildung) kann ULF als Library mit verschiedenen CFD Programmen wie OpenFOAM®,Ansys® CFX®,Ansys® Fluent® oder AVL® Fire® gekloppelt werden.

Zur direkten numerischen Simulation von turbulenten reaktiven Strömungen wird der DNS Code DINO in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik (LSS) an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg unter Leitung von Dominique Thévenin entwickelt. Dino ist insbesondere zur Lösung für Fragestellungen der Grundlagenforschung und für Entwicklungsmodelle geeignet.

Unser meistgenutztes Werkzeug für Implementierung, Validierung und Anwendung von Modellen ist das opensource Programm OpenFOAM®. Als Teil unserer Entwicklung für OpenFOAM®, kooperiert unser Institut mit mehreren Universitäten im Inland und Ausland z.B. mit der Politecnico di Milano.

Wir benutzen außerdem kommerziell-erwerbbare Software in Abhängigkeit von der Anwendung. Dies ist meist der Fall bei technischen Anwendungen.