Stephan Lenz

Stephan Lenz, M.Sc.

Gas-Kinetic schemes für thermisch kompressible Strömungen

Thermisch kompressible Strömungen sind charakterisiert durch große Dichteunterschiede bei kleinen Mach Zahlen. Solche Strömungen treten zum Beispiel im Brandfall auf. Die im Feuer freigesetzte Hitze führt zu einer Ausdehnung des Fluids und damit auch zu starker natürlicher Konvektion.

Im Bauwesen sind thermisch kompressible Strömungen im Brandfall von Gebäuden von großem Interesse. Beton verliert aufgrund chemischer und mechanischer Prozesse unter Einfluss hoher Temperaturen seine Tragfähigkeit. Der Verlust an Tragfähigkeit kann ultimativ zum Einsturz des Gebäudes und damit zu einer Gefährdung für das Leben von Menschen werden. Eine detailierte Vorhersage der Tragfähigkeit über die Brandzeit ist bei der Planung von Gebäuden daher unerlässlich. Experimente sind aufwendig, teuer und können im Normalfall nicht für das reale System durchgeführt werden. Numerische Berechnungen können in der Planungphase helfen Vorhersagen über die Tragfähigkeit zu treffen. Strömungssimulationen im Speziellen können realitätsnahe Randbedingungen für die numerische Tragwerksberechnung liefern.

Als numerische Methode für die Strömungssimulation wird ein hochperformantes sogenanntes Gas-Kinetic Scheme (GKS) entwickelt. GKS sind explizite Finite-Volumen Methoden, bei denen die Flüsse aus der Gaskinetik hergeleitet werden. In der Vergangenheit wurden GKS-Ansätze in verschiedenen Bereichen der Aerodynamik eingesetzt. Außerdem haben wir neulich ein GKS für thermische Luftströmungen bei großen Temperaturunterschieden untersucht. Im Rahmen dieses Projektes wird das GKS für massiv parallele Hardware weiterentwickelt und implementiert. Zur Turbulenz-Modellierung werden Modellvarianten der Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Diese benötigen sehr feine raum-zeitliche Diskretisierungen. Die explizite Natur kinetischer Methoden und deren Datenlokalität begünstigen eine hocheffiziente massive Parallelisierung auf Many-Core Architekturen wie General-Purpose-Graphics-Processing-Units (GPGPUs). Desweiteren werden Verbrennungs- und Wärmestrahlungsmodelle implementiert um Wäremequellen und Wärmetransport zu modellieren.

Abschließend werden simulierte Randbedingungen iterativ mit dem Institut für Statik ausgetauscht um eine gekoppelte Lösung für die Tragfähigkeitsdauer zu erzielen.

Publikationen im Rahmen des GRK:

Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften mit review:

S. Lenz, M. Geier and M. Krafczyk. An explicit gas kinetic scheme algorithm on non-uniform Cartesian meshes for GPGPU architectures. Computers & Fluids 186 (2019) 58-73.[ DOI ]

S. Lenz, M. Schönherr, M. Geier, M. Krafczyk, A. Pasquali, A. Christen and M. Giometto. Towards real-time simulation of turbulent air flow over a resolved urban canopy using the cumulant lattice Boltzmann method on a GPGPU. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 189 (2019) 151-162.[ DOI ]

S. Lenz, M. Krafczyk, M. Geier, S. Chen and Z. Guo. Validation of a two-dimensional gas-kinetic scheme for compressible natural convection on structured and unstructured meshes. International Journal of Thermal Sciences 136 (2019) 299-315.[ DOI ]

Konferenzteilnahmen mit eigenem Beitrag:

S. Lenz, M. Geier, M. Krafczyk, T. Stein, D. Dinkler. A coupled simulation approach for fire driven thermal compressible flows and thermal degeneration of concrete. Coupled 2019. Sitges, Spain. June 3-5, 2019.

S. Lenz, M. Geier and M. Krafczyk. GPGPU-Implementation of a Gas-Kinetic Scheme on Quadtree-type Cartesian meshes. ICMMES 2018. Newark, Delaware, USA. July 9-13, 2018.

S. Lenz, M. Krafczyk, M. Geier. Simulation of compressible natural convection with a gas-kinetic scheme in two dimensions. ICMMES 2017. Nantes, France. July 17-21, 2017.