Mitgliederversammlung 1994
Am 23. Februar 1994 fand im Robert-Sauer-Seminarraum des Instituts
für Informatik der TU München die dritte Mitgliederversammlung des
Bayerischen Forschungsverbunds für technisch-wissenschaftliches
Hochleistungsrechnen statt. In Anwesenheit von Ministerialrat Jürgen
Großkreutz vom Bayerischen Staatsministerium für Unterricht, Kultus,
Wissenschaft und Kunst gaben die Professoren Durst und Zenger einen
Überblick über die Aktivitäten des FORTWIHR im vergangenen Jahr.
Weitere Schwerpunkte waren neben der Planung des für den kommenden Herbst
geplanten Symposiums in Erlangen auch der im Zusammenhang mit dem Ende der
ersten Förderungsperiode (31. März 1995) zu erstellende Tätigkeitsbericht
sowie der dann ebenfalls vorzulegende Fortsetzungsantrag.
In seinem Jahresbericht wies Prof. Zenger zunächst auf die zahlreichen
Veranstaltungen des Verbundes hin. An dieser Stelle seien erwähnt das
Symposium "Technisch-wissenschaftliches Hochleistungsrechnen" am 17.
und 18. Juni 1993 im Forschungs- und Ingenieurzentrum der BMW AG in
München (siehe dazu den ausführlichen Bericht in der vorigen Ausgabe),
die Vortragsreihe "Wissenschaftliches Rechnen"
im Frühjahr 1993 bei der Siemens AG in München,
die Kurzlehrgänge "Effizienzsteigerung von Strömungssimulationen
durch neue numerische Verfahren und Parallelrechnen" (2.-4. März
1993) und "NUMET '94: Numerische Methoden zur Berechnung von Strömungs-
und Wärmeübergangsproblemen" (28.2.-3.3. 1994) des Lehrstuhls für
Strömungsmechanik (LSTM) der FAU Erlangen-Nürnberg sowie das EUROMECH
COLLOQUIUM der European Mechanics Society (7.-9. März 1994), ebenfalls
abgehalten am LSTM Erlangen, mit den Sprechern des FORTWIHR als
Tagungsleitern. Außerdem war der Forschungsverbund auf der
CeBIT '93 sowie der SYSTEMS '93 mit Messeständen präsent und war
maßgeblich beteiligt an der Durchführung des ersten Symposiums der
Arbeitsgemeinschaft der Bayerischen Forschungsverbünde
A*Bay*FOR am 18. Oktober 1993 in München
("Forschungsverbünde - Eine Grundlage Bayerischer Technologiekompetenz",
wir berichteten).
Hervorgehoben wurden ebenfalls die zunehmenden Aktivitäten
im Rahmen der gemeinsamen Ferienakademie der FAU Erlangen-Nürnberg
und der TU München. So bieten Mitglieder des FORTWIHR dieses Jahr
erstmalig drei Kurse an: "Optimale Steuerung von Luft- und Raumfahrzeugen"
(Prof. Bulirsch und Prof. Sachs), "Kristallwachstumsprozesse und ihre
numerische Simulation" (Prof. Hoffmann und Prof. Müller) sowie
"Numerische Methoden der Strömungsmechanik" (Prof. Durst und Prof. Zenger).
Schließlich verwies Prof. Zenger auf den am 9. Mai dieses Jahres am
LSTM in Erlangen stattfindenden Lehrgang "Hochleistungsrechnen für
mittelständische Unternehmen", mit dem dem Technologietransfer neue
Impulse gegeben werden sollen.
Weitere Themen des Jahresberichts der Sprecher waren
die Vorstellung des FORTWIHR-Beirats, die Finanzsituation,
angeworbene Drittmittel und Industriekooperationen, Publikationen,
Vorträge, Einführung des technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens
in die universitäre Lehre sowie die Präsentation ausgewählter
Forschungsergebnisse.
Das nächste FORTWIHR-Symposium wird am 13. und 14. September 1994
in Erlangen stattfinden, und zwar voraussichtlich in den neuen
Räumlichkeiten des Fraunhofer-Instituts und/oder in Räumen der
Universität. Prof. Durst stellte für diese Veranstaltung, mit der sich
der Verbund zugleich den Gutachtern für die Verlängerung präsentieren
will, ein erstes Konzept, Art und Anzahl der Vorträge betreffend, vor.
Als letzter Punkt standen die im Zusammenhang mit dem Ende der
ersten Förderungsperiode (31. März 1995) anstehenden Arbeiten
auf der Tagesordnung. Die Mitgliederversammlung beschloß, nach dem
Vorbild der Sonderforschungsbereiche einen Tätigkeitsbericht und einen
Neuantrag zu erstellen. Details hierzu sollen die Projektbereichsleiter
noch absprechen. Was die inhaltliche Ausrichtung der vier Projektbereiche
für die zweite Förderungsperiode und insbesondere auch die mögliche
Aufnahme neuer Mitglieder angeht, so sollen hier die einzelnen Bereiche
selbst initiativ werden.
Hochleistungsrechnen und Lehre
Ein Ziel des FORTWIHR ist es von Anfang an gewesen, das
technisch-wissenschaftliche Hochleistungsrechnen in die
universitäre Lehre einzuführen. In welchem Umfang dies
bereits nach zwei Jahren gelungen ist, zeigt die beachtliche
Zahl einschlägiger Lehrveranstaltungen. Allein an den Fakultäten
für Mathematik und Informatik der TU München werden im kommenden
Sommersemester die folgenden Vorlesungen angeboten:
"Mathematische Methoden in der Strömungsmechanik"
(Prof. Hoffmann), "Numerische Simulation in der Mikroelektronik"
(Dr. Feldmann, Siemens AG) sowie "Programmentwicklung und Visualisierung
im wissenschaftlichen Rechnen" (Dr. Rüde). Ferner findet am Lehrstuhl
von Prof. Bulirsch ein Hauptseminar für Mathematiker zum Thema
"Visualisierung in der numerischen Simulation" statt.
Im Rahmen des Hauptstudiums im Fach Informatik wird erstmalig ein
Wahlpflichtpraktikum "Wissenschaftliches Rechnen und Visualisierung"
abgehalten (Dr. Griebel).
Mit diesem Praktikum wird zugleich der neue FORTWIHR-Praktikumsraum im
Gebäude Gabelsbergerstraße 39 eingeweiht.
Die zur Realisierung einer numerischen Simulation notwendigen
Methoden, Vorgehensweisen und Fertigkeiten werden im Praktikum
konkret am Beispiel der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen erarbeitet:
Zunächst werden für zweidimensionale Aufgabenstellungen
die Diskretisierung der Gleichungen und ein einfaches Iterationsverfahren
zur Lösung des resultierenden linearen Gleichungssystems besprochen.
Nach einer kurzen Vorstellung von numerischen Verfahren zur
Effizienzsteigerung des Codes wird im zweiten Teil des Praktikums
ausführlich die Beschleunigung des Verfahrens durch parallele Berechnung
behandelt. Die Parallelisierungsstrategie folgt dabei der
Gebietszerlegungsphilosophie. Ziel ist es, das Simulationsprogramm parallel
auf einem Netz von Arbeitsplatzrechnern unter PVM zu implementieren.
Im Mittelpunkt des dritten Teils des Praktikums steht schließlich
die Visualisierung der Strömungsvorgänge bei konkreten Aufgabenstellungen
(Umströmung von Hindernissen, Transportvorgänge in porösen Medien).
Dazu werden einfache graphische Darstellungsmethoden wie das Zeichnen von
Vektorplots und Höhenlinien, Partikelverfolgungsverfahren, die Farbcodierung
und die Animation der sich zeitlich verändernden Geschwindigkeiten und
Stromfunktion besprochen und in das bestehende Programm integriert.
Darüber hinaus kommen auch moderne Visualisierungssoftwarepakete
zum Einsatz.
Wie Roboter die Kurve kratzen
Mathematiker suchen nach optimaler Bewegung von Maschinen
Unter diesem Titel erschien am 10.2.1994 in der Süddeutschen Zeitung
im Teil "Umwelt - Wissenschaft - Technik" der folgende Bericht
über Arbeiten der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dr. h.c. R. Bulirsch und
Privatdozent Dr. H. J. Pesch vom Mathematischen Institut der TU München im
Rahmen der Optimierung dynamischer Systeme.
Der Versuch, von Hand einen geraden Strich auf ein Blatt Papier zu zeichnen,
bringt es an den Tag: Wo komplexe Motorik zusammenspielt, ist die in
kürzester Zeit gezogene Verbindung zwischen zwei Punkten nicht die Gerade,
sondern eine mehr oder weniger geschwungene Linie. Ähnliches gilt für
Roboterarme, bei denen oft ein halbes Dutzend Gelenke dafür sorgt,
daß jede im Umkreis erreichbare Stelle auf verschiedene Weise angefahren
werden kann.
Zwar ließe sich der maschinelle Arm - zumindest, solange keine Hindernisse
im Weg stehen - so programmieren, daß sein Greifer sich längs einer
sauberen Geraden bewegt, doch die schnellste und schonendste Bewegungsart
ist dies gewöhnlich nicht. Das liegt daran, daß der Roboter sich mit
einem ähnlichen Schicksal wie die Erdenbürger plagen muß. Zwar ist er nicht
aus Fleisch und Blut, doch unterwirft ihn die durch das Gewicht seiner
Bauteile und die Kraft seiner Motoren definierte Masse- und Reaktionsträgheit
ebenfalls den Naturgesetzen.
Worin die Kunst besteht
Die Kunst der optimalen Bahnsteuerung besteht nun darin, alle Gelenkwinkel
für den Roboterarm so vorzugeben, daß die Greifhand möglichst schnell
zu ihrem Ziel kommt, dabei um eventuell vorhandene Hindernisse elegant
herumschwingt und gleichzeitig auch noch die Bauteile nicht über Gebühr
beansprucht werden. Die schonendste Bewegungsart verrät bereits der
gesunde Menschenverstand: Am wenigsten Verschleiß entsteht bei langsamen
Fahrmanövern, so daß die Mathematiker auf der Suche nach
der energieminimalen Bahn diejenige mit Tempo Null erhalten würden.
Daß dies nicht die Lösung sein kann, ist klar. Wissenschaftler von der
TU München versuchen nun, eine optimale Bahn zu finden. Sie gehen dabei
pragmatisch vor und berechnen zunächst ohne Rücksicht auf eventuell
glühende Gelenke und berstende Verstrebungen die schnellste Bahn.
Im Hinblick auf die Lebensdauer des Roboters schließen sie dann einen
Kompromiß, indem sie die schonendste Bahn suchen, die ein paar Prozent
längere Fahrzeiten beansprucht.
In der Praxis erreicht man auf diese Weise Zeiten, die bis zu 50 Prozent unter
denjenigen für Bahnen liegen, die mit herkömmlichen Methoden bestimmt wurden.
Nicht einmal die Erfahrung der Roboterspezialisten hält der mathematischen
Präzision stand: Die weitgehend optimalen Bahnen weisen gelegentlich
scheinbar haarsträubende Schlenker auf, die jedoch den Greifarm schneller
und schonender ans Ziel bringen als die vermeintlich direktere Route.
Die Mathematik, die dahintersteht, hat es in sich. Roland Bulirsch vermutet,
daß seine Gleichungssysteme "zum Kompliziertesten gehören, was je auf
Computern gerechnet wurde." Bei den Arbeiten unter dem Stichwort
"Variationsrechnung" sind die gesuchten Lösungen nicht allein Zahlen,
sondern mathematische Funktionen, die einer gewaltigen Anzahl von
Nebenbedingungen gerecht werden müssen.
Der Ansatz der Münchner Mathematiker, den diese im Rahmen eines vom
Bundesforschungsministerium geförderten Projekts entwickelt haben,
ist sehr allgemein. Er eignet sich nicht nur für die Bahnberechnung
eines Robotergreifarms. Genauso ist es möglich, einen Korridor zu finden,
in dem Raumkapseln wieder in die Lufthülle der Erde eintreten können,
ohne sich zu überhitzen. Solche Berechnungen garantieren den Astronauten
selbst unter widrigsten atmosphärischen Verhältnissen eine sichere Rückkehr.
Eher profan mutet es im Vergleich dazu an, daß dieselben mathematischen
Methoden auch dafür geeignet sind, dem Rechner das optimale Verhalten
bei einem Überholvorgang im Straßenverkehr zu entlocken.
Wiedereintrittsbahn eines Raumgleiters - Grafik: Michael Breitner
Lebensrettende Strategie
Auch auf anderen Feldern hat sich die Suche nach dem Optimum in komplexen
Systemen bewährt. Eine zunächst in den USA vorgenommene, von den
TU-Forschern jetzt verfeinerte Computersimulation der in der Luftfahrt
gefürchteten Scherwinde untermauerte theoretisch die lebensrettende
Strategie für Piloten: Wenn die Maschine plötzlich absackt, wäre es eine
tödliche Fehlreaktion, sie wieder hochzuziehen, da sie dann erst recht
wie ein Stein zu Boden fallen würde. Solange die Flughöhe nicht schon zu
gering ist, hilft nur noch Mut zur Geschwindigkeit: Die Maschine verliert zwar
vorübergehend Höhe, entkommt aber der Gefahrenzone schneller. Falls sie nicht
schon zu tief war, kann sie danach wieder eine beruhigende Flughöhe erreichen.
Wissenschaftsrat
Prof. Karl-Heinz Hoffmann zum Vorsitzenden gewählt
Am 21. Januar 1994 wurde Prof. Karl-Heinz Hoffmann,
Lehrstuhl für Angewandte Mathematik der TU
München, zum Vorsitzenden des Wissenschaftsrates gewählt.
Der Wissenschaftsrat berät den Bund und die Länder in
hochschulpolitischen Fragen, insbesondere beim Hochschulausbau.
Ins Licht der breiteren Öffentlichkeit ist der Wissenschaftsrat
im Zuge der Vereinigung der beiden deutschen Staaten getreten.
Seine Aufgabe war es, die Situation der Forschungsinstitute und
Universitäten in Ostdeutschland zu evaluieren. Der Wissenschaftsrat
beteiligt sich ebenfalls engagiert an der aktuellen Diskussion zur
Neuorientierung und Umgestaltung der Hochschulen.
Prof. K.-H. Hoffmann ist Koordinator des FORTWIHR-Teilbereichs
"Numerische Simulation von Schmelzprozessen und des
Kristallwachstums" und ist außerdem am FORTWIHR-Teilbereich
"Parallele Numerik in der Prozeßsimulation" beteiligt.
Weitere Schwerpunkte der Arbeit seiner Gruppe sind
die mathematische Analyse und numerische Simulation von
Anwendungen aus den Bereichen Formgedächtnismaterialien,
Supraleitung, Verfahrenstechnik und Kieferchirurgie sowie die
objektorientierte Programmierung und die Visualisierung medizinischer
Daten.
Renovierung abgeschlossen
15 Münchener FORTWIHR-Mitarbeiter ziehen in die
Gabelsbergerstraße 39
Zwar hat alles wieder ein bißchen länger als erwartet gedauert,
aber nun ist die Teilrenovierung des Gebäudes Gabelsbergerstraße
39 abgeschlossen, und die ersten Mitarbeiter konnten auch bereits in
ihre neuen Büros im zweiten und dritten Stock des Hauses einziehen.
Insgesamt bieten die Räumlichkeiten 15 Mitarbeitern der
Arbeitsgruppen von Prof. Bulirsch und Prof. Hoppe (Mathematik) sowie
Prof. Bode und Prof. Zenger (Informatik) Platz. Damit entspannt sich
bei den betroffenen Lehrstühlen die zum Teil prekäre Raumsituation
etwas, und zugleich konnte nun auch in München - wie in Erlangen in
der Artilleriestraße bereits seit fast zwei Jahren - dem
interdisziplinären Konzept des FORTWIHR auch räumlich Rechnung getragen
werden.
Neben den Büros verfügt der Forschungsverbund in der Gabelsbergerstraße
jetzt auch über ein Seminar- und Besprechungszimmer sowie einen
Praktikumsraum. In letzterem wird im kommenden Sommersemester für Studierende
der Informatik erstmalig das Wahlpflichtpraktikum "Wissenschaftliches
Rechnen und Visualisierung" abgehalten (siehe den Bericht dazu in dieser
Ausgabe).
FORTWIHR Intern
- Prof. Dr. Dr. h.c. F. Durst, Inhaber des Lehrstuhls für
Strömungsmechanik und stellvertretender Sprecher des FORTWIHR, ist seit dem
1.10.1993 neuer Dekan der Technischen Fakultät der Universität Erlangen.
- Prof. Dr. Peter Rentrop (Mathematisches Institut der TU München), seit
Gründung des FORTWIHR maßgeblich am Projektbereich 4 (Halbleiter und Schaltkreise)
beteiligt, erhielt Rufe auf den Lehrstuhl für Wissenschaftliches Rechnen
in den Ingenieurwissenschaften im Fachbereich Mathematik der TH Darmstadt
sowie auf den Lehrstuhl für Numerische Mathematik der
Technisch-Naturwissenschaftlichen
Fakultät der Medizinischen Universität Lübeck.
Prof. Rentrop, der inzwischen den Ruf nach Darmstadt angenommen hat,
wird die TU zum Beginn des Sommersemesters '94 verlassen.
Die Redaktion wünscht ihm viel Freude und Erfolg an seiner neuen
Wirkungsstätte!
- Nach fast zwei Jahren als Gastwissenschaftler am Institut für
Werkstoffwissenschaften der FAU Erlangen-Nürnberg ist Dr. Keith Koai Ende Februar in die USA zurückgekehrt. Schwerpunkt seiner Erlanger Tätigkeit
war die numerische Simulation des globalen Wärmetransports beim
Czochralski-Verfahren, und er wird auch in Zukunft in der Industrie
der numerischen Simulation von Kristallzüchtungsverfahren treu bleiben.
-
Dipl. Phys. Hans-Jörg Leister, bislang Mitarbeiter am Lehrstuhl für
Strömungsmechanik der FAU, wechselt zum 1.4. zu den Werkstoffwissenschaftlern,
die sich auf ihren neuen Mitarbeiter freuen (und ihm viel Arbeit versprechen).
FORTWIHR Vorträge
- 7.2.1994, "`Mathematik in der Raumfahrt"',
öffentlicher Vortrag von Prof. Bulirsch in der
Bayerischen Akademie der Wissenschaften.
- 29.10.1993, "`Mathematik und Astronomie"',
Vortrag von Prof. Bulirsch vor den Mitgliedern des Vorstands der
Krauss-Maffei AG.
Bitte notieren:
- Das diesjährige "Symposium Technisch-Wissenschaftliches
Hochleistungsrechnen" wird am 13. und 14. September in Erlangen
abgehalten werden.
-
Die nächste Mitgliederversammlung wird am 22.2.1995 ebenfalls in
Erlangen stattfinden.
-
Auf der konstituierenden Sitzung des FORTWIHR-Beirats wurde
die zweite Beiratssitzung für Freitag, den 28.10.1994, 12 Uhr
anberaumt.
-
Am 9.5.94 findet am LSTM Erlangen ein Kurzlehrgang mit dem Thema
"Hochleistungsrechnen für mittelständische Unternehmen"
statt.
Ziel dieser Veranstaltung ist, mittelständischen Unternehmen die
Möglichkeiten des technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens zur
zeit- und kostengünstigen Optimierung vielfältiger Produkte und Prozesse aufzuzeigen.
FORTWIHR Gäste
in München:
-
24.2.94, Dr. B. Bachmann (ABB Corporate Research):
Ein adaptives Mehrgitterverfahren zur Lösung der stationären
Halbleitergleichungen.
-
21.2.94, F. Bellosa (\F, Erlangen):
Parallele leichtgewichtige Prozesse zur Implementierung adaptiver
numerischer Verfahren.
-
7.2.94, Prof. Dr. P. Deuflhard (Konrad-Zuse-Zentrum Berlin):
Neuere Ergebnisse zum Kaskadenprinzip bei partiellen Differentialgleichungen.
-
10.1.94, Dr. E. Bänsch (Universität Freiburg):
Adaptive Finite-Elemente-Strategien.
-
20.12.93, Dr. L. Petrosjan (Universität St. Petersburg):
Differentielle Verfolgungsspiele.
-
15.12.93, Dr. H. Daniels (IBM Heidelberg Scientific Center):
Large time-dependent incompressible flow simulations on distributed systems
with implicit finite elements.
in Erlangen:
-
Prof. Nieuwstadt (TU Delft):
Experimental and numerical investigation of turbulent flows.
-
Prof. Spurk (TH Darmstadt):
Elektrorheologische Flüssigkeiten unter Scherbeanspruchung.
-
Dr. K. Wanie (MBB Deutsche Aerospace):
Computational aerodynamics in aeronautics industry.
-
Prof. Panayotounakos (TU Athen):
Analytical solutions of some kinds of nonlinear PDEs appearing in fluid
mechanics and aerodynamics.
Übrigens...
-
Vom 28.2. bis 3.3.94 fand am LSTM Erlangen der Kurzlehrgang "NUMET '94:
Numerische Methoden zur Berechnung von Strömungs-
und Wärmeübergangsproblemen" statt.
Der Kurs wurde in großen Teilen von Erlanger FORTWIHR-Mitarbeitern
bestritten und war mit 50 Teilnehmern sehr gut besucht.
-
Vom 7.3. bis 9.3.94 fand am LSTM Erlangen ein EUROMECH-Kolloquium mit dem
Thema "Efficient Numerical Methods and Parallel Computing in Fluid Mechanics"
statt. Die Teilnahme von über 50 Experten auf diesem Gebiet, etwa die
Hälfte davon aus dem europäischen Ausland, ermöglichte einen fruchtbaren
Erfahrungsaustausch hinsichtlich aktueller Entwicklungen auf dem Gebiet des
technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens in der Strömungsmechanik,
und es konnten für FORTWIHR sehr nützliche Kontakte
neu geknüpft bzw. bestehende intensiviert werden.
-
Ab Januar 1994 fördert das BMFT für zwei Jahre ein interdisziplinäres
Kooperationsprojekt der Erlanger Lehrstühle für Angewandte Mathematik
(Prof. Dobrowolski) und Strömungsmechanik (Prof. Durst) sowie des
Ferdinand Braun Instituts in Berlin zum Thema "Entwicklung effizienter
Algorithmen zur Simulation des Wachstums von III-V-Halbleiterstrukturen".
-
Vom 1.1.94 bis 31.12.96 fördert das BMFT zwei Projekte der Arbeitsgruppe
Prof. Hoffmann, TU München:
- Halbleiter-Prozeßsimulation: Effiziente 2-D und 3-D Simulation der
Diffusion von Dotierungen über Grenzflächen (gemeinsames Projekt mit dem
Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente, Universität
Erlangen-Nürnberg, dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen,
Abt. Bauelemente-Technologie, Erlangen,
und der Firma Siemens, Abt. ZFE, BT SE 43).
- Adaptive Materialien und Strukturen - Mathematische Modellierung und
numerische Simulation (gemeinsam mit dem DLR-Institut für Strukturmechanik,
Braunschweig, und der MAN-Technologie GmbH, München).
-
Im Rahmen des Förderprogrammes "Anwendungsorientierte
Verbundprojekte auf dem Gebiet der Mathematik" hat das
Bundesministerium für Forschung und Technologie den Projektleitern
Prof. R. Bulirsch, Priv.-Doz. H. J. Pesch und Prof. P. Rentrop,
Mathematisches Institut der TU München, drei Projekte bewilligt.
Im einzelnen werden für drei Jahre gefördert: Stabilität von
Oszillatorschaltungen; Identifikation, Bahnoptimierung und Echtzeitsteuerung
von Robotern in der industriellen Anwendung; Ladungswechsel im
Verbrennungsmotor. Industriepartner sind die BMW AG und die Siemens AG.
Anton Frank, 24-3-1994