Dynamic adaptive refinement techniques for free surface flow simulations

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Diploma/ Master thesis: Dynamic adaptive refinement techniques for free surface flow simulations

Status: Free

Introduction

One of the limiting factors for accuracy in simulation is the mesh resolution. Is the grid provided by the simulation engine too coarse, the results obtained from the corresponding simulations might not be good enough to yield satisfactory conclusions. On the other hand, if the resolution of the computational domain is very fine grained, the computing time for the problem tremendously increases (which is especially true for 3D scenarios) and might even imply the usage of parallel computing in order to provide enough computing power.

A possible compromise is given by the usage of adaptively refined grids. A respective framework for adaptive Cartesian grids is given by the framework Peano (see peano-homepage) which also contains a Lattice Boltzmann implementation for simulation of free surface flows. These types of flows a characterised by moving fluid-gas boundaries - just imagine a glass that gets filled with water!

The focus of the project lies on the development and implementation of an adaptive version of the free surface solver in Peano. The main challenge at this lies in the dynamic adaption of the Cartesian grid to the free surface movement and position over time.

Summary of project steps

  • Getting familiar with the basic concepts of the Peano framework (adapter concept etc.) and its adaptive Lattice Boltzmann solver
  • Getting familiar with the provided free surface extension
  • Implementation of the free surface algorithm on the adaptive Peano grid
  • Extension of the implementation by inclusion of dynamic refinement at the fluid-gas interfaces
  • Computation of test scenarios (falling drop, breaking dam) with the dynamically changing grid

Due to the size of the project Peano, software-engineering aspects such as modularity, encapsulation of functionality or good documentation of the code are very important. This does not represent any inconvenients for students who are not yet familiar with these topics but it is a chance to learn and directly apply them.

Prerequisites

Good programming skills in C++, interest in flow simulations.

If you already have some knowledge on Lattice Boltzmann methods or flow simulations, that's perfect! If not, it's definitely fine, too! :-)

Start

Anytime

Tutors

Philipp Neumann


Diplom-/ Masterarbeit: Entwicklung einer dynamischen Gitterverfeinerungsstrategie für Strömungssimulationen mit freien Oberflächen

Status: Free

Einführung

Einer der begrenzenden Faktoren in Simulationsszenarios is die räumliche Gebietsauflösung. Rechnungen auf groben Gittern können schnell durchgeführt und ausgewertet werden, führen jedoch i.A. zu schlechten Approximationen der eigentlichen Lösung. Verwendet man andererseits sehr feine Gitter, steigt der Rechenaufwand enorm (vor allem im Falle von 3D-Strömungssimulationen).

Einen möglichen Ausweg aus dieser Problematik bieten adaptiv verfeinerte Gitter . Das am Lehrstuhl mit Schwerpunkt Wissenschaftliches Rechnen entwickelte Framework Peano (siehe Peano-Homepage) bietet beispielsweise eine Umgebung für adaptive kartesische Gitter basierend auf Space-Trees. Daneben enthält Peano eine Lattice Boltzmann-Implementierung zur Simulation von Strömungen mit freien Oberflächen, wie beispielsweise schwappendes Wasser in einem Glas oder Tropfen, die in Pfützen eintauchen.

Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt in der Entwicklung und Implementierung einer adaptiven Version des Freie-Oberflächen-Lösers in Peano. Die Herausforderung liegt hierbei in der dynamischen (zeitabhängigen) Anpassung des Gitters an die Bewegung der freien Oberfläche.

Zusammenfassung der Arbeitsschritte

  • Einarbeitung in die grundlegenden Konzepte des Peano-Frameworks und des enthaltenen adaptiven Lattice Boltzmann-Lösers
  • Einarbeitung in die Freie-Oberflächen-Problematik und den bereits implementierten Lösungsansatz
  • Implementierung des Freie-Oberflächen-Lösers auf dem adaptiven Peano-Gitter
  • Erweiterung dieser Implementierung um dynamische Verfeinerungs- und Vergröberungsstrategien unter Berücksichtigung der Bewegung/ Verschiebung des Wasser-Gas-Interfaces
  • Berechnung verschiedener Testszenarien (Fallender Tropfen, brechender Damm) auf dem dynamisch veränderlichen Gitter

Aufgrund der Projektgröße von Peano sind Software-Engineering-Aspekte wie Modularität, Kapselung der Funktionalität oder gute Dokumentation sehr wichtig. Für Studenten, die darin noch wenig Übung haben, ist das kein Nachteil sondern die Chance, die entsprechende Vorgehensweise an einem größeren Projekt kennenzulernen und direkt umzusetzen.

Voraussetzungen

Gute Programmierkenntnisse in C++, Interesse an Strömungssimulationen

Wenn du bereits Kenntnisse zu Lattice Boltzmann-Verfahren oder Strömungssimulationen hast, ist das super! Wenn nicht, sollte das aber auch keinerlei Problem darstellen. :-)

Beginn

Jederzeit

Betreuer

Philipp Neumann