An explicit model for the fluid-structure interaction based on LBM and p-FEM

Die Arbeit beschäftigt sich mit der partitionierten Kopplung von zwei effizienten Lösern zur Simulation von Fluid-Struktur-Interaktionsproblemen. Auf der einen Seite ist dies der Lattice-Boltzmann-basierende Fluidlöser VirtualFluids und auf der anderen Seite der Finite-Elemente-Strukturlöser höherer Ordnung AdhoC. Anhand eines Benchmarks für poröse Medien wurde die Leistungsfähigkeit des LB-Ansatzes aufgezeigt. Die hohe Effizienz des Lösers motivierte die Untersuchung hinsichtlich einer Fluid-Struktur-Kopplung. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein explizites Kopplungsschema zu entwickeln. Dieses wird durch die schwach kompressible Formulierung der notwendigen Gleichungen ermöglicht. Notwendige Kraftinterpolationsverfahren wurden auf der Fluidseite entwickelt. Die sehr anspruchsvolle Behandlung von bewegten Geometrien auf quadtree/octreeartigen Gittern war eine Herausforderung des entwickelten Gittergenerators. Ein numerischer und ein experimenteller Benchmark, initiiert von der DFG-Forschergruppe 493, wurden ausführlich in 2-D validiert. Die übereinstimmenden Ergebnisse mit anderen Simulationscodes zeigten, dass die Simulationen mit dem expliziten Kopplungsschema durchgeführt werden können. Für die dreidimensionale Fluid-Struktur-Interaktion führten die Testfälle einer in einem Rohr sinkenden Kugel und eine längsangeströmte Rechteckplatte zu guten Resultaten. Hierbei ist die Berechnungseffizienz der gekoppelten Simulation im Vergleich zu anderen impliziten Verfahren hervorzuheben. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die flexible Softwarearchitektur des VirtualFluids-Strömungslösers, die auch für weitere physikalische Problemstellungen und eine interaktive Bedienung der laufenden Simulation entwickelt wurde. Für den Anspruch Adaptivität, Parallelisierung und wissenschaftliche Visualisierung in einer Simulationsumgebung zu vereinen, ist der gezeigte Ansatz vielversprechend.This work deals with the partitioned coupling of two efficient solvers for the simulation of fluid-structure-interaction problems. The fluid solver VirtualFluids, based on the Lattice-Boltzmann method, and the high order finite element structural solver AdhoC are used. Based on a benchmark for porous media, the efficiency of the LB approach was shown. The high efficiency has further motivated the development of the fluid-structure coupling approach. In this work we succeessfully developed an explicit coupling scheme. This is possible due to the weakly compressible form of the governing equations. Force interpolation rules have been developed on the fluid side. Moreover, the handling of moveable geometries on quadtree/octree-typed grids was a major challenge for the grid generator. In two dimensions, a numerical and an experimental benchmark, initiated from the DFG Research Unit 493, were validated in detail. The results agreed well with other simulation codes and showed that the simulation can be done with an explicit coupling scheme. For the three dimensional fluid-structure interaction, a sinking sphere in a pipe and a rectangular plate in a cross flow leads to good results. For all of the examined test cases, the high computational efficiency of the coupled simulation in comparison to implicit methods has to be pointed out. The last part of this work describes the flexible software concept of the flow solver VirtualFluids, which is the basis for further physical problem definitions and an interactive handling of the running simulation. The presented software concept has shown to be capable of combining adaptivity, parallelization and scientific visualization in one simulation environment

An integrative approach for interactive thermal simulations

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Ansätze zur interaktiven Simulation thermischer Transportprozesse vorgestellt, wie sie für Anwendungen im Bauingenieurwesen typisch sind. Besonderer Fokus wird hierbei auf die Strahlungs-Struktur-Wechselwirkung gelegt, die für viele bauphysikalische Fragestellungen von großer Bedeutung ist. Zur Lösung des Wärmestrahlungsproblems wird ein numerischer Ansatz basierend auf der hierarchischen Radiosity-Methode und optimierten Kd-Bäumen entwickelt, der den Strahlungsaustausch zwischen diffusen Oberflächen in einer abgeschlossenen Umgebung simuliert. Die angekoppelte Berechnung der Wärmeleitung in der Struktur basiert auf der Finite-Differenzen-Methode, welche hardwarebeschleunigt auf Grafikkarten ausgeführt wird und zu einer signifikanten Steigerung der Performance führt. Neben den modernen numerischen Ansätzen zur Lösung des physikalischen Problems werden auch Methoden des Computational Steering angewendet, die eine direkte Interaktion mit dem Simulationssystem zur Laufzeit erlauben. Hierbei können innerhalb eines CAD-basierten virtuellen Entwurfsraumes komplexe Problemstellungen nicht nur transient simuliert werden, vielmehr es ist es möglich, das Systemverhalten interaktiv zu optimieren. Die Visualisierung der in jedem Zeitschritt anfallenden Simulationsergebnisse erfolgt verteilt innerhalb einer Tiled-Display-Umgebung. Dieser verteilte Renderansatz erlaubt eine schnelle Ausgabe und Manipulation großer Datenmengen und stellt eine ideale Plattform für kooperative Planungsprozesse dar. Der vorgestellte Prototyp wurde an Systemen, zu denen eine analytische Lösung existiert, validiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die implementierten numerischen Verfahren für die Ankopplung der Strahlung an die Temperaturdynamik der Struktur asymptotisch die korrekte Lösung liefern. Außerdem zeigen mehrere bauphysikalische Anwendungsbeispiele mögliche Einsatzgebiete.In this thesis new approaches for interactive thermal simulations are presented which are applicable to several fields in civil engineering. The main focus of this work lies on the interaction of radiative heat transfer and heat conduction. To solve the complex radiative exchange between gray, diffuse surfaces in 3d domains an approach based on the hierarchical radiosity method and optimized kd-trees is presented. The coupled transport of energy in heat conducting materials for transient temperature fields is calculated by a finite difference method. Since this approach requires substantial CPU time and memory, a GPU parallelization of the 3D finite difference scheme is implemented which accelerates the computational speed by more than one order of magnitude. Furthermore computational steering techniques are applied, providing mechanisms for integrating modeling, simulation, data analysis, visualization and post-processing in a single environment. Here a virtual interactive design space based on a CAD software is developed. Within such a system the user can interactively modify the geometry, boundary conditions and other parameters of the running simulation and explores the results immediately. For the large amounts of data processed during simulation, a cluster-oriented rendering approach is presented. Here the simulation results are visualized on a tiled display system scaling to hundreds of mega pixels in resolution. This approach allows a group of planners and engineers to collaboratively optimize buildings at run-time with instantaneous updates to the simulation and visualization in a digital workspace. In several validations it is shown that the presented software-prototype achieves high accuracy with only small deviations between analytical reference solutions and the simulation results. Finally some sample applications show the capability of this approach for complex scenarios in civil engineering