NUMET:
Numerische Methoden zur Berechnung von Strömungs- und Wärmeübertragungsproblemen

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KLG-BildDas Thema des Kurzlehrgangs ist die numerische Lösung von Strömungs- und Wärmeübertragungsproblemen. In 24 einstündigen Einzelvorlesungen und zusätzlichen Computerdemonstrationen werden die Grundlagen der Finite-Volumen, -Finite-Differenzen-, Finite-Elemente-, Lattice-Boltzmann- und hybriden numerischen Berechnungsverfahren vermittelt und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.

In den Vorträgen werden alle Schritte von der Diskretisierung über den Einbau der Randbedingungen bis zur gekoppelten Lösung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie behandelt. Neben den zugrunde liegenden Ideen werden die gebräuchlichen Approximationsmethoden und Diskretisierungsschemata im Detail beschrieben; einige alternative Vorgehensweisen werden angedeutet. Ergänzend zur Erläuterung der Grundgleichungen der Strömungsmechanik wird die Modellierung und numerische Implementierung typischer Phänomene, wie Turbulenz oder Wärme- und Stoffübertragung, dargestellt. Neu aufgenommen wurden Vorlesungen über gekoppelte Probleme (Fluid-Struktur-Wechselwirkung und Aeroakustik), Mehrphasenströmungen und künstliche neuronale Netze in der Strömungsmechanik.

Um aufzuzeigen, wie die Effizienz der zum Teil sehr aufwändigen Strömungsberechnungen erhöht werden kann, wird die Mehrgittertechnik vorgestellt und eine Einführung in die Diskretisierung mittels dünner Gitter gegeben. Eine besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Portierung von Strömungsprogrammen auf Hochleistungsrechner (Parallelrechner mit Cache-basierten CPUs oder Vektorprozessoren) zu, die aus diesem Grund in einer eigenen Vorlesung behandelt wird. Das technisch-wissenschaftliche Hochleistungsrechnen wird vielfach als Voraussetzung für die Durchführung komplexer dreidimensionaler Strömungssimulationen in für die industrielle Praxis akzeptablen Rechenzeiten angesehen. Die Weiterentwicklung und Etablierung dieser Disziplin wird an der Universität Erlangen-Nürnberg von Wissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen verfolgt, um Anwendern aus Forschung und Industrie geeignete Hilfsmittel zur Verfügung stellen zu können. Die aus diesen Arbeiten resultierenden Ergebnisse und der aktuelle Wissensstand über die Eigenschaften und die Einsetzbarkeit verschiedener Rechnerarchitekturen werden u.a. Thema der im Rahmen des Lehrgangs stattfindenden Computerdemonstrationen sein.

Daraus wird deutlich, dass NUMET eine Einführung in moderne Techniken der numerischen Strömungsmechanik bieten wird. Die Vorträge werden zeigen, dass das Zusammenwirken schneller numerischer Verfahren, geeigneter Lösungsalgorithmen und moderner Rechnerarchitekturen von immenser Bedeutung für die effiziente Lösung komplexer Strömungsprobleme ist. Die gesamte Thematik der numerischen Strömungsmechanik wird so vorgestellt werden, dass die Teilnehmer einerseits einen möglichst vollständigen Überblick über das Fachgebiet erhalten, zum anderen aber auch die nötigen Detailkenntnisse für eigene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vermittelt bekommen. NUMET zeigt auf, welche Entwicklungsrichtungen vorliegen und für welche Teilgebiete der Strömungsmechanik Berechnungen zur Gewinnung verlässlicher Informationen durchgeführt werden können. Zudem zeigen spezielle Vorträge zu wichtigen Teilgebieten der numerischen Strömungsmechanik, wie Simulationsprogramme auf Einprozessor- und Parallelrechnersystemen zur Lösung praktischer Strömungsprobleme herangezogen werden können.

Obgleich nicht alle Themen im Rahmen des Kurses in aller Ausführlichkeit behandelt werden können, wird dem Zuhörer ein Leitfaden durch die numerische Strömungsmechanik mit den grundlegenden Ideen und den wichtigsten Ansätzen und Entwicklungsrichtungen vermittelt. Die Möglichkeiten und Grenzen numerischer Berechnungsverfahren für Probleme der Strömungsmechanik werden verdeutlicht durch die Ergebnisse typischer Anwendungen, die im Rahmen der Vorträge und während der Computerdemonstrationen vorgestellt werden. Um eine spätere Vertiefung der behandelten Thematik zu ermöglichen, werden den Teilnehmern die vollständigen Kursunterlagen inklusive eines ausführlichen Literaturverzeichnisses ausgehändigt.

Der Kurzlehrgang wendet sich an all diejenigen, die selbst Rechenprogramme für Strömungssimulationen entwickeln oder aber kommerzielle Softwarepakete anwenden. Programmentwickler finden durch die detaillierte Behandlung aller zur Programmerstellung notwendigen Einzelschritte wertvolle Hilfestellung. Anwender haben die Gelegenheit, die wesentlichen Bestandteile eines kompletten Berechnungsverfahrens und dessen Funktionsweise kennen zu lernen; dies ist sowohl für die Anwendung als auch für die kritische Interpretation der Ergebnisse von Softwarepaketen unverzichtbar. Besonders nützlich und reizvoll für alle Teilnehmer sollte nicht zuletzt die Möglichkeit sein, durch Diskussionen mit den Vortragenden Informationen über die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik aus erster Hand zu bekommen.

NUMET wird in regelmäßigen Abständen – nunmehr bereits zum dreizehnten Male – am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt. Auch in diesem Jahr konnten international anerkannte Experten auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik für die Vorlesungen gewonnen werden. Die Vortragenden besitzen weitreichende Erfahrung sowohl in der Grundlagenforschung zur Entwicklung von Berechnungsverfahren, in der Erstellung von Software für die industrielle Praxis sowie deren Anwendung auf allen Rechnertypen vom PC bis hin zu Supercomputern.

Das Konzept, in Vorlesungen und Computerdemonstrationen eine Mischung aus Grundlagenwissen und aktueller Forschung zu vermitteln, wurde beibehalten.

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