Wie Computersimulationen Lawinen, Hochwasser und andere Strömungsprozesse berechenbar machen

Ob Lawinenabgänge, Hochwasserwellen in Großstädten oder das Verhalten von Schiffen bei Wendemanövern: Strömungssimulationen machen komplexe physikalische Prozesse sichtbar, ohne dass aufwendige Realexperimente nötig sind. Die Software MESHFREE des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern gilt als Spezialistin für genau solche strömungsdynamischen Fragestellungen – mit einem Ansatz, der sich grundlegend von klassischen Simulationsverfahren unterscheidet.

Punktwolken statt Rechennetze

Entwickelt wurde MESHFREE von einem Team um Jörg Kuhnert und Isabel Michel am ITWM, einer der weltweit größten Einrichtungen für angewandte Mathematik. Die erste Version der Software geht auf Kuhnerts Doktorarbeit vor über 20 Jahren zurück. Der Name ist Programm: „Mesh-free“ bedeutet gitterfrei. Während klassische Simulationsverfahren auf einem Rechennetz basieren, dessen Erstellung und Anpassung – die sogenannte Netzgenerierung – sehr zeitaufwendig sein kann, verzichtet MESHFREE vollständig auf ein solches Netz.

Stattdessen wird das strömende Medium durch eine Punktwolke dargestellt. Kuhnert beschreibt das Prinzip gegenüber dem SWR so: Jeder Punkt trägt physikalische Größen wie Druck, Temperatur und Geschwindigkeit und bewegt sich mit der Strömung mit. Je mehr Punkte verwendet werden, desto genauer wird die Simulation – allerdings steigt damit auch der Rechenaufwand. Laut MESHFREE-Unternehmensangaben genügt für eine 3D-Simulation lediglich ein 2D-Oberflächennetz; das eigentliche Berechnungsgebiet füllt die Software automatisch mit der Punktwolke.

Vorteile gegenüber netzbasierten Verfahren

Dieser Ansatz bringt nach Angaben des Unternehmens mehrere praktische Vorteile mit sich. Bei freien Oberflächenströmungen muss nicht der gesamte Simulationsbereich berechnet werden, sondern nur der Teil, der tatsächlich mit Fluid gefüllt ist – ein Rechenvorteil gegenüber maschenbasierten Methoden. Bei sich schnell verändernden Geometrien, etwa durch bewegte Objekte oder große Verformungen, passt sich die Punktwolke automatisch an, ohne dass eine aufwendige Neuvermaschung nötig wird. Auch lokale Verfeinerungen sind laut Hersteller flexibel möglich, sogar während eine Simulation bereits läuft. Da sich die Punkte mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit bewegen, lassen sich die Ergebnisse zudem intuitiv visualisieren.

MESHFREE ist damit nach eigenen Angaben in der Lage, Szenarien zu simulieren, die für andere Werkzeuge derzeit kaum zugänglich sind – etwa ein wasserdurchströmtes Auto oder Turbinenabrieb. Technisch basiert die Software auf einem allgemeinen kontinuumsmechanischen Ansatz, der auch nichtlineare Phänomene wie nicht-newtonsche Flüssigkeiten abbilden kann. Sie ist vollständig MPI-parallelisiert, skaliert auf Rechen-Clustern und nutzt intern die Bibliothek SAMG zur Lösung linearer Gleichungssysteme auf Basis algebraischer Mehrgittertechnik. Am ITWM stehen dafür rund 4.000 Computerchips im hauseigenen High-Performance-Rechenzentrum zur Verfügung.

Von der Autoindustrie bis zum Katastrophenschutz

Ursprünglich stand vor allem die Automobilindustrie im Fokus der Entwicklung: Wasserdurchfahrten und Wassermanagement, Kraftstoffbefüllung und -schwappen, Wechselwirkungen mit Boden und Sand bei Crashtests oder Getriebekomponenten lassen sich mit MESHFREE virtuell untersuchen, lange bevor ein teurer Prototyp gebaut wird. „Echte Experimente sind für die Automobilindustrie aufwendig und erzeugen hohe Kosten. Heute kann man schon viele dieser Experimente ersetzen und so Kosten, Zeit und Ressourcen sparen“, erklärt Isabel Michel gegenüber dem SWR.

Inzwischen deckt die Software ein deutlich breiteres Anwendungsspektrum ab. Im Bereich Wasserkraft wird MESHFREE etwa zur Untersuchung von Impulsturbinen (Peltonturbinen) im Modernisierungsprozess bestehender Anlagen eingesetzt, um Flüssigkeitsströmung, Wasserschichtbildung und Materialspannung vorherzusagen. In der Fertigungstechnik hilft die Software dort weiter, wo klassische netzbasierte Methoden wie die Finite-Elemente-Methode an ihre Grenzen stoßen – etwa bei großen Verformungen oder Kühlflüssigkeiten in dynamischen Prozessen. Auch in der Chemietechnik, der Lebensmittelindustrie sowie in Medizin und Gesundheitswesen – etwa bei der Simulation von Blutströmungen in Kunstherzen oder an Stents – kommt der Ansatz zum Einsatz.

Besondere Relevanz für den Bevölkerungsschutz hat der Anwendungsbereich Naturgefahren: Angesichts des Klimawandels gewinnen Naturgefahren und Notfallmanagement an Bedeutung. Laut Unternehmensangaben ist MESHFREE hier spezialisiert auf freie Flächen wie Dammbrüche und Überschwemmungen, mehrphasige Szenarien wie Lawinen und Murenabgänge sowie Fluid-Struktur-Interaktionen, etwa bei schwimmenden Brücken. Virtualisierung und Simulation sollen so vorbeugende Maßnahmen und Evakuierungspläne unterstützen und optimieren.

Simulierte Fluten und schäumendes Bier

Wie realistisch die Simulationen mittlerweile wirken, zeigt sich unter anderem an einer Demonstration einer Aquaplaning-Fahrt: Auf dem Monitor spritzt Wasser täuschend echt auf, obwohl es sich technisch um eine Punktwolke aus tausenden einzelnen „Perlen“ handelt. Für die Entwicklung von MESHFREE erhielten Kuhnert und Michel zuletzt den mit 50.000 Euro dotierten Fraunhofer-Preis.

Abgeschlossen ist die Arbeit an der Software damit aber nicht. „Die Arbeit an unserer Forschungssoftware ist nie abgeschlossen. Denn es gibt immer wieder neue Probleme, die man lösen will und auch lösen muss“, so Kuhnert gegenüber dem SWR. Als aktuelles Beispiel nennt er ein vergleichsweise alltägliches Phänomen: die Schaumbildung beim Einschenken von Bier – ein Vorgang, den die Forschenden am Fraunhofer ITWM inzwischen so realistisch simulieren können, dass er sich von einem echten Zapfvorgang kaum mehr unterscheiden lässt.

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