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Modellansatz: Binärströmung

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In dieser Folge spricht Gudrun Thäter mit Anne Bayer und Tom Braun. Sie sind im Bachelorstudiengang Wirtschaftsmathematik beziehungsweise Mathematik am KIT eingeschrieben und haben 2019 das projektorientierte Softwarepraktikum in Gudruns Arbeitsgruppe absolviert. Das Gespräch dreht sich um ihre Erfahrungen in dieser Lehrveranstaltung.

Das projektorientierte Softwarepraktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zu Grunde, die ständig unter anderem in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group weiterentwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen.

Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab:
Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein erstes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, zum Beispiel aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, welche die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt sowie in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit vier ECTS angerechnet.

Anne und Tom betrachten einen Würfel, in dem zwei Flüssigkeiten enthalten sind, die sich nicht mischen können. Konkret ist ein Tropfen von Fluid 1 in ein Fluid 2 eingebettet. Dadurch entsteht insbesondere eine diffuse Grenzfläche zwischen beiden, die durch mehrere physikalische Faktoren beeinflusst ist, wie etwa die Viskosität der Flüssigkeiten oder die Größe des Tropfens.

Wo die Grenzfläche verläuft, ist Teil des physikalischen Problems. Grundlage des verwendeten, sehr einfachen Modells ist die Oberflächenspannung. Der Tropfen hat auf Grund dieser Oberflächenspannung einen anderen Druck im Inneren als außen. Dies kann mit dem Laplace-Operator modelliert und berechnet werden. Sie berechnen die im numerischen Modell vorliegende Druckdifferenz, indem der Druck im kugelförmigen Tropfen und in dem am weitesten entfernten Punkt betrachtet wird (in diesem Fall dem Punkt aus der linken unteren Ecke).




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