Beschleunigte Mehrphasensimulation

Das Ergebnis dieses Projektes ist ein tieferes Verständnis für Mehrphasenströmungen mit dem Fokus auf dichte granulare Strömungen und Blasenströmungen. Dies wird durch die Implementierung eines innovativen numerischen Verfahrens für die Partikelverfolgung auf neu entwickelten, extrem leistungsstarken Grafikprozessoren (GPUs) erreicht. Die Kernidee ist die Kombination des flexiblen, Quellcode-offenen Strömungslösers "OpenFOAM" auf konventionellen Prozessoren (CPUs) mit einem Partikelverfolgungs-Modul welches parallel dazu auf GPUs läuft. Dies ermöglicht eine stark beschleunigte Berechnung der Mehrphasenströmung, da GPUs für die massiv-parallele Berechnung von Partikeltrajektorien ausgelegt sind. Ein derartig kombinierter CPU-GPU Strömungslöser wurde noch nicht für die Mehrphasensimulation eingesetzt. Der erwartete Speed-Up, d.h. die Reduktion der Simulationszeit im Vergleich zu einem konventionellen Simulationsprogramm, ist in der Größenordnung von 20 bis 100 (!). Der auf der Verfolgung von Partikeln basierende Ansatz wird für 4-Weg-gekoppelte Mehrphasen-simulationen eingesetzt. Das heißt, in den Simulationen werden Fluid-Partikel-, Partikel-Fluid- sowie Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Interaktionen berücksichtigt. Derartige Simulationen sind derzeit sehr zeitaufwändig, oder überhaupt nicht durchführbar, was den wissenschaftlichen Fortschritt auf diesem Gebiet enorm verlangsamt. Dieser große Nachholbedarf auf dem Gebiet der Mehrphasenströmungen wird durch die Initiativen des U.S. Dept. Of Energy (DOE) oder der pharmazeutischen Industrie reflektiert. Das Projekt stellt sich diesen aktuellen wissenschaftlichen Herausforderungen durch die Kombination von innovativen Algorithmen mit der massiven Parallelisierung auf GPUs. Der Antragsteller wird (i) die Vorteile, aber auch die Limitierungen des entwickelnden CPU-GPU Mehrphasen-Strömungslösers studieren, (ii) seine Leistungsfähigkeit demonstrieren und (iii) den Löser zur Erforschung von dichten granularen Strömungen und Blasenströmungen einsetzen. Letzteres wird durch die Weiterentwicklung des Lösers während der Implementierungsphase in Österreich passieren, wodurch auch komplexe dreiphasige Systeme, wie z.B. Suspensions-Blasenkolonnen oder Bioreaktoren unter Berücksichtigung von Blasenkoaleszenz und -aufbruch effizient berechnet werden können. Prof. Sundaresan`s Gruppe in Princeton wird als betreuende Forschungseinrichtung das notwendige Wissen für die Kernstruktur des Lösungsalgorithmusses bereitstellen. Die Gruppe wird auch Referenz-ergebnisse für die Benchmark-Tests des entwickelten Lösers aufbereiten. Die Weiterführung der Kooperationen mit Dr. Charles Radeke und der Gruppe von Prof. Glasser an der benachbarten Rutgers University wird weiters zum Gelingen des Projektes beitragen.