CD-Labor für Datengestützte Simulationen komplexer Strömungen

Dieses CD-Labor erforscht Möglichkeiten, wie physikalische Phänomene von Interesse zu ihrem besseren Verständnis anhand komplett virtueller Experimente simuliert werden können, und wie dies trotz ihrer Komplexität möglichst schnell durchgeführt werden kann.

Um physikalische Phänomene besser verstehen zu können, können konventionelle Experimente durchgeführt werden: Wenn es aber etwa darum geht, Hochtemperaturindustrieprozesse unter extremen Bedingungen zu untersuchen, so sind die Faktoren Gefährlichkeit und Kostenaufwand dabei nicht zu unterschätzen. Werden jedoch die für das zu untersuchende Phänomen relevanten physikalischen Gesetze in Programmcode übersetzt und von einem Computer numerisch gelöst, so kann besagtes Phänomen im Zuge eines virtuellen Experiments simuliert werden: So könnten beispielsweise nicht nur Erfahrungswerte für eine reale Anlage gesammelt, sondern können auch erst zu entwickelnde Prozesse vorab auf ihre Umsetzbarkeit getestet werden – und das ohne Risiko.

Der Nachteil hierbei: Während Experimente in der realen Welt in Echtzeit ablaufen, kann der Rechenaufwand für virtuelle Experimente sehr hoch werden – die Phänomene von Interesse sind oft so komplex, dass es etliche Tage dauern kann, sie für nur einige Sekunden zu simulieren. Ein Paradebeispiel sind hier partikuläre Probleme, die sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus praktischer Perspektive von großer Bedeutung sind: Hier geht es um Systeme fester Partikel, die von einer oder mehrerer Gas- oder Flüssigphasen durchströmt werden, wobei es zu einem Masse-, Impuls- und Wärmeaustausch zwischen Partikeln und Fluidphasen kommt.

Für die Wissenschaft ist das Verständnis solcher Prozesse eine besonders spannende Herausforderung, da hier viele kleine Partikel durch zahlreiche kurze Interaktionen das Langzeitverhalten eines großen Ganzen erzeugen. Praktisch gesehen sind über 75% aller Rohmaterialien granular und zeigen im Zuge dieser komplexen Prozesse oft unerwartetes Verhalten in Industrieanlagen: Je mehr Wissen diesbezüglich gesammelt werden kann, desto besser kann hier Produktionsproblemen und -ineffizienzen vorgebeugt werden.

Es bleibt jedoch das Problem des bisher potentiell enormen Zeitaufwands virtueller Experimente – und hier kommt das CD-Labor ins Spiel: Mittels des Zusammenspiels klassischer Simulationstechniken und moderner, datengestützter KI-Methoden soll ermöglicht werden, zu lösende physikalische Gleichungen mit Informationen zum Systemverhalten auf größerer Skala über längere Zeiträume zu kombinieren – was wiederum sehr viel schnellere Berechnungen erlaubt. Dadurch könnten datengestützte Simulationen ganz wie Experimente in der realen Welt in Echtzeit ablaufen – oder sogar schneller: So könnte ein Computermodell in kritischen Momenten binnen weniger Sekunden vorhersagen, wie sich ein Reaktor über die nächste Stunde hin entwickeln wird, und anhand dieser Informationen rasch entschieden werden, ob etwa eine Notabschaltung nötig ist.

Die anwendungsorientierte Grundlagenforschung des CD-Labors wird somit einen wichtigen Beitrag zu mehr Sicherheit und Produktionseffizienz in Industrie und Energieversorgung leisten, aber auch in puncto Reduzierung von Treibgasemissionen und besserer Erreichbarkeit gesteckter Klimaziele zeigt sie großes Potential: Einerseits bieten sich Echtzeitsimulationen komplexer Strömungen nämlich auch dafür an, den Energiebedarf bereits in Betrieb befindlicher Industrieanlagen zu reduzieren. Andererseits können diese Simulationen auch für die Suche nach neuen, wasserstoff- statt kohlenstoffbasierten Prozessen für die Stahlerzeugung eingesetzt werden. Im CD-Labor entwickelte Simulationsmethoden werden daher insbesondere auf Problemstellungen im Zusammenhang mit Umwelt- und Klimaschutz angewandt, um bereits im Computermodell vielversprechende neue Ansätze zu identifizieren oder bestehende Prozesse zu optimieren, wovon die gesamte Gesellschaft profitieren wird.