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Adaptive Relaxation zur Stabilisierung und Beschleunigung partitionierter Multiphysiksimulationen

Jung, Daniel

Grundlegende Implementierungsansätze partitionierter Multiphysiksimulationen erfordern zumeist aufwändige, iterative Berechnungen, um die Aussagekraft der Analysen zu gewährleisten. In vielen Anwendungsbereichen lassen sich diese Analysen daher nicht rentabel durchführen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prinzip zur adaptiven Relaxation aufbauend auf der klassischen Schwingungslehre entwickelt, um den genannten Aufwand signifikant zu reduzieren. Es werden keine Informationen über die Eigenschaften der Gleichungssysteme benötigt, wodurch das Verfahren auch in der Kopplung von Black-Box-Programmen eingesetzt werden kann, die keine speziellen Schnittstellen außer der Ein- und Ausgabe von Rand- und Ergebniswerten im ASCII-Format bieten. Es ist nicht auf Benutzereinstellungen angewiesen, da es selbstständig problemadaptive Relaxationsparameter bestimmt. In den durchgeführten Untersuchungen zeigten sich analog zu der Auslegung des Relaxationsprinzips keine Einschränkungen auf spezielle Problemstellungen. Durch die geringe Anzahl an durchzuführenden Berechnungsoperationen wird die behandelbare Modellgröße nicht beschränkt. Aufbauend auf dem erarbeiteten Prinzip werden drei unterschiedliche Algorithmen entwickelt. Durch die Durchführung und Auswertung umfassender Parameterstudien an Testmodellen erfolgt deren Kalibrierung und Bewertung. Die Effizienz des Verfahrens wird anhand von praxisrelevanten, gekoppelten Problemstellungen im Bereich der Fluid-Struktur-Interaktion sowie einer Frequenzgang- und Reaktionsmomentanalyse an Modellen eines Wärmetauschers sowie des Abgastraktes eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors verifiziert. Der Berechnungsverlauf zwischen unstabilisierter und stabilisierter Berechnung wird vergleichend gegenüber gestellt. Die Ergebnisse, in denen die erforderlichen Kopplungsiterationen um 50 bis 60% im Vergleich zur unstabilisiert gekoppelten Berechnung gesenkt werden konnten, belegen den erreichbaren Effizienzgewinn. Im praktischen Einsatz lässt sich somit der Aufwand von Multiphysikanalysen deutlich reduzieren. Durch die signifikante Senkung des notwendigen Zeit- und Kostenaufwandes lassen sich diese deutlich wirtschaftlicher durchführen. Auch die Ausweitung der gekoppelten Simulation in Anwendungsbereiche, in denen diese aufgrund der Rentabilität bisher nicht durchgeführt wurden, wird damit möglich.

Implementations of partitioned multiphysics simulations require in general expensive, iterative simulations to be able to provide dependable results. This causes this simulation method to be too expensive in many cases. The work carried out in this thesis proposes a method that is based on the classical theory of oscillations to reduce the arising effort significantly by adaptive relaxation. The method doesn't require any information about the involved equations what even allows for application in coupled simulations between black-box-programs which have no special interfaces except reading and writing boundary-conditions in any ASCII format. It does not have the need for user settings as it automatically calculates problem specific relaxation factors. The conducted simulations meet the target of the method's design as they didn't show any limitations on specific types of problems. Furthermore there is no limitation of maximum model sizes as only few calculations have to be carried out for the adaptive relaxation.\\ Three different algorithms are created based on the developed principle. Extensive parameter studies are employed for the calibration and evaluation of the three algorithms. Verification simulations of the vibration behavior of a exhaust tract with build-in turbochargers as well as a thermal fluid-structure interaction in the simulation of a counter flow heat exchanger demonstrate the efficiency of the developed method. The comparison of the simulations with and without use of the developed algorithm reveals a decrease of the numerical cost by 50 to 60%. The developed method reduces the additional effort needed for coupled simulations compared to single physics simulations significantly. Therefore partitioned multiphysics simulation can be extended to fields of application where such analyses have been too expensive before.

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Citation style:

Jung, Daniel: Adaptive Relaxation zur Stabilisierung und Beschleunigung partitionierter Multiphysiksimulationen. 2013.

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