Multi-Physics-Problems

Fluid-Struktur-Interaktion

Eine der wichtigsten und bekanntesten Multiphysics-Problemstellungen ist die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Zwei Felder sind in diesem Fall beteiligt: ein Fluid- bzw. Strömungsfeld und ein Festkörper- bzw. Strukturfeld, die durch eine Oberflächen-Kopplung verbunden sind. Kräfte des Strömungsfeldes wirken auf die Struktur, während umgekehrt die Strukturverformungen durch die Oberflächen-Kopplung das Strömungsfeld verändern. Anwendungen reichen vom Bauwesen über den Automobil- und Maschinenbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zu biomedizinischen Anwendungen, z. B. Windkräfte auf Gebäude, Öl-Pipelines, Airbags, U-Boote, Rotorblätter von Windkraftanlagen sowie Hubschraubern, Fallschirme, Ventile und Blutströmungen in Arterien.

Unsere einzigartige Erfahrung und Expertise insbesondere für diese höchst relevante Anwendung lässt sich u. a. dahingehend zurückverfolgen, dass die Entwicklung numerischer Methoden für FSI in Deutschland sowie weltweit eng mit dem Namen unseres Gesellschafters Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. Wall verbunden ist.

Unsere Lösung für Sie:

fortschrittliche numerische Methoden sowohl in monolithischer als auch partitionierter Form zur Simulation von FSI-Problemen
Verfügbarkeit von ALE-, „Fixed-Grid“- oder hybride Methoden, abhängig davon, welche Methode sich am besten für die Lösung Ihres Problems eignet
fortschrittliche numerische Methoden für den häufig gewünschten Fall einer Kopplung nicht passender Netze am Interface zwischen Fluid und Struktur
fortschrittliche numerische Methoden für die Kombination von FSI und Kontakt sowohl in Form eines sog. „Nasskontakt“ bzw. „Unterwasserkontakt“ als auch „Trockenkontakt“

Thermo-Struktur-Interaktion

Die Thermo-Struktur-Interaktion (TSI) ist ein Volumen-gekoppeltes Zweifeld-Problem, an dem ein Festkörper- bzw. Strukturfeld und ein Temperaturfeld beteiligt sind. Thermisch bedingte Dehnungen können Spannungen in der Struktur erzeugen, während umgekehrt durch Verformungen Temperaturänderungen hervorgerufen werden können. Wie für die FSI sind für die TSI die Kopplungsansätze, wobei man in diesem Zusammenhang ebenfalls monolithische und partitionierte Ansätze unterscheidet, von besonders hoher Bedeutung.

Unsere Lösung für Sie: fortschrittliche numerische Methoden sowohl in monolithischer als auch partitionierter Form zur Simulation von TSI-Problemen mit großen Deformationen und sehr großen Temperaturunterschieden

Thermo-Fluid-Struktur-Interaktion

Die Thermo-Fluid-Struktur-Interaktion (TFSI) ist ein Oberflächen- und Volumen-gekoppeltes Vierfeld-Problem, bestehend aus einem Fluid- bzw. Strömungsfeld und einem Strukturfeld sowie zwei Temperaturfeldern, jeweils im Fluid- und Strukturfeld. Eine beispielhafte technische Anwendung stellt ein sog. Wärmeübertrager dar. Über eine Volumen-Kopplung sind die Temperaturfelder zu ihren jeweiligen „Trägerfeldern“ gekoppelt. Darüber hinaus sind an der Oberfläche zwischen Fluid- und Strukturfeld diese beiden Felder sowie die Temperaturfelder gekoppelt. Für weitere Details wird auch auf die beiden Abschnitte zur Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) und zur Thermo-Struktur-Interaktion (TSI) verwiesen.

Unsere Lösung für Sie: fortschrittliche numerische Methoden sowohl in monolithischer als auch partitionierter Form zur Simulation von TFSI-Problemen, wobei alle bereits zuvor für Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) und Thermo-Struktur-Interaktion (TSI) angeführten besonderen Merkmale in diesem Fall ebenso verfügbar sind

Verbrennung

Die Verbrennung ist zwar einerseits eine der ältesten Techniken der Menschheit überhaupt; andererseits wird die Verbrennung fossiler Brennstoffe allerdings in absehbarer Zukunft noch eine große Rolle in den Bereichen Antriebe und Energieerzeugung spielen. Die Verbrennung stellt ein Zweifeld-Problem dar, bestehend aus einem Fluid- bzw. Strömungsfeld und einem chemisch reaktiven Feld. Man unterscheidet vorgemischte, nicht vorgemischte und teilweise vorgemischte Verbrennung. In den meisten Fällen vollzieht sich die Verbrennung innerhalb eines turbulenten Strömungsfeldes.

Unsere Lösung für Sie: fortschrittliche numerische Methoden in Form erweiterter Finite-Element-Methoden („eXtended Finite Element Method (XFEM)“) mit Mehrskalen-Ansätzen zur Simulation von vorgemischten Verbrennungsproblemen

ELEKTROCHEMIE

Die Elektrochemie befasst sich sowohl mit Elektrolyten und deren Eigenschaften als auch den physikalisch-chemischen Vorgängen an der Phasengrenze zwischen einer Elektrode und dem umgebenden Elektrolyten. Ein Anwendungsgebiet der Elektrochemie, für das wir bereits umfangreiche Erfahrung gesammelt haben, ist z. B. die Elektrodeposition, die zur Beschichtung von elektrisch leitfähigen Bauteilen mit metallischen Schichten genutzt wird, die beispielsweise dem Korrosionsschutz und dem sog. Galvanoformen dienen. Ein anderes Anwendungsgebiet sind elektrochemische Energiequellen wie z. B. Batterien und Brennstoffzellen. Im Projekt FELIKS entwicklen wir momentan gemeinsam mit der BMW AG Simulationstechnologien zur Simulation von Batterien. Die Elektrochemie ist in solchen Anwendungen i. d. R. zu einem anderen Feld wie z. B. einem Fluid- bzw. Strömungsfeld im Fall der Elektrodeposition oder einem Festkörper- bzw. Strukturfeld im Fall der Batterie gekoppelt, so dass sich ein Zweifeld-Problem ergibt. U. U. ist auch noch ein Temperaturfeld zu berücksichtigen.

Unsere Lösung für Sie: fortschrittliche numerische Methoden zur Simulation elektrochemischer Felder, die zu

Strukturfeldern mit komplexer Geometrie,
Strömungsfeldern unter voller Berücksichtigung konvektiver Effekte und
Temperaturfeldern

gekoppelt sind

Poroelastische STrömungen

Anwendungen poroelastischer Strömungen reichen von der der Geophysik über die Biomechanik bis hin zum Bauwesen, z. B. Strömungen in Erdöllagerstätten, in Knochen und Geweben sowie Dammbauwerken. Eine poroelastische Strömung besteht aus zwei Feldern: einem Strukturfeld, das das sog. „Gerüst“ darstellt, und einem Strömungsfeld, das wiederum aus einer oder mehreren Phasen bestehen kann (siehe auch Mehrphasenströmung), die die miteinander verbundenen Poren durchfließen.

Unsere Lösung für Sie: fortschrittliche numerische Methoden zur Simulation poroelastischer Strömungen mit inhomogener Porosität

Biomedizinische Anwendungen

Physikbasierte Simulationsmodelle haben die Forschung und Produktentwicklung in vielen Branchen revolutioniert, da sie technische Prozesse und das Verhalten von technischen Systemen vorhersagen können. In Zukunft werden diese Simulationsmodelle aus dem Ingenieurwesen auch in der klinischen Praxis verwendet werden, um biologische Systeme oder bestimmte Krankheitsbilder besser zu verstehen und optimale Therapiemaßnahmen für den einzelnen Patienten abzuleiten. Die Anwendung numerischer Simulationstechniken aus dem Ingenieurwesen auf medizinische Problemstellungen ist seit einigen Jahren Gegenstand interdisziplinärer wissenschaftlicher Forschung. Die Anwendungsfelder sind hierbei sehr vielfältig: von der Simulation des Herz-Kreislauf-Systems (oder Teilen hiervon) zum besseren Verständnis verschiedener Herzkreislauferkrankungen bis hin zur Bestimmung optimaler Therapiemaßnahmen nach einem Herzinfarkt. Ein anderes Beispiel ist die Vorhersage von Rupturrisiken bei Aneurysmen.