Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
„Das Institut beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahren mit diesem Problem, schon bevor ich als Doktorand hierherkam. Es ist eindeutig von den Beobachtungen in der Natur inspiriert“, sagte Laurent André, Doktorand am AIA. „Die meisten Partikel, die wir in der Natur beobachten, sind nicht perfekt kugelförmig, doch die meisten Modellierungsansätze gehen von kugelförmigen Partikeln aus. Wir untersuchen die Auswirkungen dieser Annahme: Wie stichhaltig ist sie? Ab wann beeinträchtigt diese Annahme die Genauigkeit eines Modells?“
André und Dr. Thede Kiwitt, der vor Kurzem an der AIA promoviert hat, evaluieren gemeinsam mit Professor Wolfgang Schröder, dem Leiter des AIA, und Dr. Matthias Meinke, dem Leiter des Bereichs Numerik am AIA, verschiedene Modellierungsansätze für ellipsoide Partikel. Sie führen hochpräzise Simulationen durch, um deren Genauigkeit zu verbessern.
Wenn Forscher turbulente Strömungen am Computer simulieren, müssen sie entweder Modelle verwenden, die das Verhalten bestimmter Partikel beschreiben, oder bei jedem Zeitschritt die Gleichungen für jede Partikelwechselwirkung lösen. Die direkte Simulation von Partikeln ohne Modellannahmen wird als direkte Partikel-Flüssigkeits-Simulation (DPFS) bezeichnet. Obwohl DPFS selbst bei bescheidenen Systemgrößen unerschwinglich teuer ist, ist es Forschenden mithilfe von zunehmend leistungsfähigeren Computern gelungen, den Umfang direkter Partikel-Flüssigkeits-Simulationen zu vergrößern.
Forschende des AIA veröffentlichten im Januar 2026 einen Artikel im International Journal of Multiphase Flow, in dem sie sich auf die DPFS-Simulation von sowohl kugelförmigen als auch ellipsoiden Partikeln in Rohren und Strahlkanälen konzentrierten. DPFS löst das Strömungsfeld der Partikel direkt. Dies bedeutet, dass die Grenzen und das Verhalten jedes einzelnen Partikels ohne zusätzliches Modell numerisch aufgelöst werden.
Obwohl das Strömungsproblem im Vergleich zu realen Bedingungen relativ einfach war, benötigte das Team 1,3 Milliarden Zellen, um etwa 80.000 Partikel zu simulieren. Die Forschenden zeigten, dass sich nicht-sphärische Partikel deutlich anders verhielten, obwohl die meisten Partikel in solchen Simulationen als Kugeln dargestellt wurden. Konkret stellten sie fest, dass ellipsoide Partikel mit größerem Seitenverhältnis – also dem Verhältnis von Länge zu Breite eines Partikels – sich im Vergleich zu kugelförmigen Partikeln weiter in Richtung der Mitte eines Rohrs bewegen. In der Strömung verschieben sich die Konzentrationsspitzen von Partikeln mit größerem Seitenverhältnis weiter von der Mittellinie weg. Das Team nutzte für seine direkten Partikel-Flüssigkeits-Simulationen sowohl den Supercomputer Hawk als auch den Supercomputer Hunter des HLRS.
Die meisten Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen verfügen jedoch nicht über die für DPFS-Simulationen erforderliche Rechenleistung. Aus diesem Grund hat André Modelle der Partikelströmung, die mithilfe von Höchstleistungsrechnern erstellt wurden, evaluiert und verbessert. Diese Modelle lassen sich in weniger rechenintensive Fluid-Partikel-Strömungssimulationen integrieren – sogenannte Large-Eddy-Simulationen (LES). LES berechnen das Partikelverhalten auf den größeren Turbulenzskalen numerisch, bilden jedoch die Auswirkungen kleinerer Wirbel auf das Fluid-Partikel-Gemisch in Modellen ab. Dadurch sind LES zugänglicher für Forschende aus der Wissenschaft und der Industrie, die keinen Zugang zu Großrechnern haben.
André und seine Vorgänger haben gemeinsam mit dem Team an der Bewertung von Punktteilchenmodellen gearbeitet, die die Genauigkeit von Fluid-Partikel-Simulationen verbessern können. Bei Punktteilchenmodellen gehen Forscher davon aus, dass Teilchen eine einheitliche Masse haben, auch wenn sie unterschiedliche Formen aufweisen. Dies vereinfacht das Problem und ermöglicht es, die Rechenressourcen auf die Simulation der Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Fluid zu fokussieren.
Mithilfe der Ressourcen des HLRS untersuchten André und seine Mitarbeiter drei verschiedene Punktteilchenmodelle: ein Modell mit kugelförmigen Teilchen, eines mit ellipsoiden Teilchen und ein Modell, das ellipsoide Teilchen in einem komplexeren System betrachtet. Diese dritte Kategorie berücksichtigt deren unterschiedliches Verhalten in Bezug auf Auftrieb, Luftwiderstand und Drehmoment besser. Das Team stellte nicht nur fest, dass das Punktteilchenmodell mit zusätzlichen physikalischen Parametern die anderen Modelle übertraf, sondern auch, dass es hinsichtlich der bevorzugten Ausrichtung der Teilchen im freien Strahl gut mit den aufwendigeren direkten Teilchen-Flüssigkeits-Simulationen übereinstimmte. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Fuel.
Die Bemühungen des Teams zur Verbesserung von Fluid-Partikel-Modellen legen den Grundstein für umfangreichere Simulationen, mit denen sich partikelhaltige Verbrennungsprozesse realistisch darstellen lassen. Während die Forschenden am AIA bereits über langjährige Erfahrung in der Simulation von Ein- und Mehrphasenströmungen verfügen, können diese Simulationen mittels HPC-Systeme der nächsten Generation grundlegend verbessert werden. „Unsere bisherigen Simulationen sind eigentlich nur Referenzsimulationen, da sie noch nicht den für den industriellen Einsatz erforderlichen Umfang haben“, sagte André. „Mit Zugang zu führenden HPC-Ressourcen können wir den Detaillierungsgrad erhöhen. Dies ist notwendig, um die hochauflösenden Daten zu generieren, die wir für die Entwicklung genauerer Modelle benötigen. Diese werden der Industrie zuverlässigere Vorhersagen liefern.“ Auf diese Weise werden die Simulationen des Teams die in akademischen und industriellen Umgebungen durchgeführten LES-Simulationen weiter verbessern.
Dank des beständigen Zugangs zu führenden HPC-Systemen wie denen am HLRS strebt das Team zudem an, DPFS in zunehmend großem Maßstab durchzuführen. Aufgrund der Größe und Komplexität des Systems ist eine DPFS-Simulation für einen gesamten Biomasse-Reaktor rechnerisch noch nicht durchführbar. Mit den ihm derzeit zugewiesenen HLRS-Ressourcen konzentriert sich das Team nun jedoch darauf, Punktpartikelmodelle weiter zu verbessern, um die Ausrichtung und Rotation der Partikel während einer Simulation besser zu berücksichtigen.
-Eric Gedenk
Hawk wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt über das Gauss Centre for Supercomputing (GCS) gefördert.
André L, Kiwitt T, Meinke M, et al. 2027. Comparison of point-particle models and direct particle-fluid simulations for non-spherical particles. Fuel 427: 139560.
Kiwitt T, Meinke M, Krug D, et al. 2026. Direct particle-fluid simulation of spherical and ellipsoidal particles in turbulent pipe-free-jet flow. Int J Multiphase Flow. ePub Jan 1.
Als Mitglied des Gauss Centre for Supercomputing ist das HLRS eines der drei Bundeshöchstleistungsrechenzentren.
