Simulation dient der Vorhersage und Analyse komplexer physikalischer Zusammenhänge, die auf Basis mathematischer Modelle mithilfe von Differentialgleichungen beschrieben werden. In diesem Projekt sollen auf Grundlage der Navier-Stokes-Gleichungen strömungsmechanische Fragestellungen wie die Ausbreitung von Viren in der Luft oder Bakterien im Trinkwasser untersucht und daraus mögliche (Schutz)Konzepte abgeleitet werden.

Nicht zuletzt hat die vorherrschende Pandemie SARS-CoV-2 aufgezeigt, dass wirksame Schutzkonzepte und (politische) Entscheidungen von einer fundierten Datenlage und -auswertung abhängen. Moderne Simulationswerkzeuge helfen, komplexe Zusammenhänge zu modellieren und damit etwa die Ausbreitung von Viren in geschlossenen Räumen wie Klassenzimmern, Messehallen oder öffentlichen Verkehrsmitteln vorherzusagen. Aber auch im Rahmen der Frischwasserversorgung spielt die Vorhersage zur Ausbreitung von Bakterien (Legionellen) etwa in Rohrleitungen eine massgebliche Rolle für die Wasserqualität und damit für die Gesundheit der Menschen.

Mithilfe der Strömungssimulation (engl. Computational Fluid Dynamics; kurz CFD) lassen sich fluidmechanische Fragestellungen bzgl. des physikalischen Verhaltens von Luft oder Wasser am Rechner beantworten und im Gegensatz zu teuren Experimenten beliebig oft für unterschiedliche Szenarien wiederholen. Die Berechnungsergebnisse reichen dabei von qualitativen Vorhersagen bis zu quantitativen Analysen, auf Basis derer konkrete Entscheidungen resp. Massnahmen abgeleitet werden können. Dies betrifft das korrekte Lüften von Klassenräumen ebenso wie die Entwicklung neuer Schadstofffilter für die Frischwasserversorgung privater Haushalte. Entscheidend ist, dass die konkrete Problemstellung weniger vom eingesetzten Simulationswerkzeug als vom Kontext (z.B. Geometrie, Randbedingungen, physikalische Parameter) der zu Grunde liegenden Aufgabe, letztendlich also von der Modellierung abhängt.

Ziel des Projekts ist es, einen Mock-Up zu entwickeln, der die Modellierung oben genannter Fragestellungen zur Ausbreitung von Viren/Bakterien in Luft/Wasser erlaubt. Von speziellem Interesse ist dabei die möglichst einfache Erstellung kontextabhängiger (d.h. individueller) Szenarien, die anschliessend vom Simulationswerkzeug ausgewertet werden sowie die grafische Aufbereitung der damit erzielten Berechnungsergebnisse.

• 20. April 2021: Auftakttreffen (online) FHGR, CSEM, RWTH Aachen
• 23. April 2021: Treffen (online) FHGR, CSEM, Meteosat (Prototyp für Mehrphasenströmung (2D) vorgestellt)
• 11. Mai 2021: Treffen (online) FHGR, RWTH Aachen (Testszenario für Simulation & Analyse definiert)
• 21. Mai 2021: Treffen (online) FHGR, RWTH Aachen (Testszenario (experimentelle Umsetzung Prüfstand) festgelegt)

Publikationen

• Ertl, C., Mundani, R.P. (2021). Domain Management and Adaptive Mesh Refinement with Minimal Information. Concurrency and Computation: Practice and Experience – UNDER REVIEW.
• Mundani, R.P. (2020). Numerische Simulation – von der Formel zum bunten Bild. Information – Wissenschaft & Praxis, Vol. 71, pp. 331–335.
• Ertl, C., Frisch, J., Mundani, R.P. (2017). Design and optimisation of an efficient HDF5 I/O kernel for massive parallel fluid flow simulations. Concurrency and Computation: Practice and Experience, Vol. 29(24).
• Frisch, J., Mundani, R.P., Rank, E., van Treeck, C. (2015). Engineering-based thermal CFD simulations on massive parallel systems. Computation, Vol. 3(2), pp. 235–261.

Beteiligte

Das Projekt wird vom Schweizerischen Institut für Informationswissenschaft SII in Zusammenarbeit mit CSEM sowie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen umgesetzt.