Arbeitsgruppe Lattice-Boltzmann-Methoden

In den letzten Jahren hat sich die Lattice-Boltzmann-Methode als ausgereiftes Werkzeug für Strömungssimulationen bewährt. Im Vergleich zu bisher bestehenden Navier-Stokes Lösern, ermöglicht die Lattice-Boltzmann-Methode effiziente Verfahren zum Berechnen turbulenter, thermischer oder von Mehrphasen-Strömungen.
Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit 2013 intensiv mit der Weiterentwicklung dieser Lattice-Boltzmann-Methoden. Die entwickelten Verfahren werden auf Anwendungsfälle transferiert, um aktuelle Forschungsfragen zu beantworten und zu diskutieren.

Aktuelle Forschungsthemen

  • PyTorch-based Lattice Boltzmann Framework: Lettuce
  • Kompressible Strömungen: Thermische Entwicklung durch Kompressibilität
  • Weiterentwicklung der Lattice-Boltzmann-Methode unter Zuhilfenahme neuronaler Netze

Methoden, Kompetenzen und Anwendungen

In der Arbeitsgruppe kommt seit 2013 die selbst entwickelte LBM-Software NATriuM (Numerik und Algorithmen für Tribologie unter Verwendung von Mehrkernprozessoren) zum Einsatz. Dieses Softwarepaket wurde während der Promotionsphase von Andreas Krämer geschrieben und die Entwicklung wird seitdem in der Arbeitsgruppe weiter fortgeführt.

Zur Anwendung der LBM auf unstrukturierten Gittern bietet NATriuM zwei Optionen des Advektionsschrittes: Die Discontinuous-Galerkin-LBM und die Semi-Lagrangian-LBM. Der Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt zurzeit in der Weiterentwicklung von thermalen, kompressiblen und turbulenten Strömungen.

Die Arbeitsgruppe entwickelt darüber hinaus ein in Python geschriebenes Softwarepaket, namens Lettuce, das die Lattice-Boltzmann-Methode beinhaltet. Dieses Softwarepaket basiert auf PyTorch, welches hauptsächlich eine Softwarebibliothek für Machine-Learning Algorithmen darstellt. Dies ermöglicht nicht nur effiziente Berechnungen auf der Grafikkarte, sondern darüber hinaus auch den Nutzen von neuronalen Netzen in der Lattice-Boltzmann-Methode.

Labore

Die Simulationen werden auf dem Rechencluster der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg durchgeführt. Eine effiziente Implementierung der Methode sowie eine effektive Parallelisierung ermöglichen leistungsfähige Berechnungen, die hochauflösende Simulationen erlauben.

Lehre

Die Arbeitsgruppe ermöglicht die Betreuung einer Abschlussarbeit, mit dem Schwerpunkt auf Strömungssimulationen. Für Bewerbungen auf eine Abschlussarbeit kontaktieren Sie bitte Prof. Dr. Dirk Reith

Ausgewählte / Neue Publikationen

  • Bedrunka, M. C., Wilde, D., Kliemank, M., Reith, D., Foysi, H., & Krämer, A. (2021). Lettuce: PyTorch-based Lattice Boltzmann Framework.
  • Wilde, D., Krämer, A., Bedrunka, M., Reith, D., & Foysi, H. (2021). Cubature rules for weakly and fully compressible off-lattice Boltzmann methods. Journal of Computational Science51, 101355.
  • Wilde, D., Krämer, A., Reith, D., & Foysi, H. (2020). Semi-Lagrangian lattice Boltzmann method for compressible flows. Physical Review E101(5), 053306.
  • Wilde, D., Krämer, A., Küllmer, K., Foysi, H., & Reith, D. (2019). Multistep lattice Boltzmann methods: Theory and applications. International Journal for Numerical Methods in Fluids90(3), 156-169.

 

Kooperationspartner

  • Prof. Dr. Holger Foysi - Universität Siegen