Teilprojekt 3 – Massiv Parallele Simulation des Schmelzbadbereichs beim Laserstrahlschweißen mit der Lattice-Boltzmann-Methode

Motivation

Beim Laserstrahlschweißen hat die Fluiddynamik im Schmelzbad einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Schweißnaht und damit auf die Bildung von Erstarrungsrissen. Während experimentelle Untersuchungen zeit- und kostenintensiv sind, können numerische Simulationen eine vielversprechende Alternative sein, um dieses Phänomen zu untersuchen. Um erste grundlegende Prinzipien zu gewinnen, müssen die Simulationen jedoch sowohl räumlich als auch zeitlich hoch aufgelöst sein. Das heißt, ein Rechengitter mit mehr als 10⁹ Elementen muss für mehrere hunderttausend Zeitschritte simuliert werden. Derart rechenintensive Simulationen sind nur auf massiv paralleler Hardware möglich, wie sie in modernen Großrechnern verfügbar ist. Um die physikalische Korrektheit der Simulationen zu gewährleisten, werden die implementierten Modelle in enger Zusammenarbeit zwischen Informatikern und Produktionstechnikern entwickelt und validiert.

Ziele

Das Ziel von Teilprojekt 3 ist es, mesoskopische numerische Modelle zu entwickeln und zu implementieren, um hochaufgelöste Strömungssimulationen durchzuführen. Zu diesem Zweck werden die physikalischen Modelle in dem Software-Framework waLBerla implementiert, das speziell für Simulationen auf parallelen Hochleistungs-Rechenclustern konzipiert ist. Die numerische Grundlage für den Strömungslöser ist die Lattice-Boltzmann-Methode für freie Oberflächen (FSLBM), bei der ein kartesisches Rechengitter in verschiedene Zelltypen unterteilt wird. Diese Zelltypen werden durch ihren Füllstand charakterisiert. Zellen, die zur flüssigen Phase gehören, haben einen Füllstand von 1, während Gaszellen einen Füllstand von 0 erhalten. Gas- und Flüssigkeitszellen sind durch eine einzige Schicht von Grenzflächenzellen getrennt, die jeweils einen Füllstand ∈ (0, 1) aufweisen. Die FSLBM geht von der Annahme aus, dass die Dynamik des Systems überwiegend von der flüssigen Phase bestimmt wird. Das heißt, die Fluiddynamik in der Gasphase wird vernachlässigt, was zu einer hohen Berechnungseffizienz führt.

 

Vorgehensweise

In enger Zusammenarbeit mit Teilprojekt 2 (TP2) wird die FSLBM um mehrere Modelle erweitert, darunter Verflüssigung, Erstarrung und Verdampfung. Zusätzlich wird ein Raytracing-Algorithmus implementiert, um den Energieeintrag des Laserstrahls in das Schmelzbad zu simulieren. Während des Projekts werden alle implementierten Modelle kontinuierlich mit experimentellen Daten aus TP2 validiert.

Die in diesem Teilprojekt angestrebten großskaligen Simulationen können nur mit einer hocheffizienten Implementierung des FSLBM realisiert werden. Zu diesem Zweck wird die FSLBM um eine adaptive Gitterverfeinerung und Lastverteilung erweitert, um die Rechenleistung weiter zu optimieren. Um die Wartbarkeit der Implementierung und die Portabilität auf andere Hardware-Architekturen zu ermöglichen, werden zentrale Teile der FSLBM mit modernen Techniken der Metaprogrammierung implementiert.

Teilprojektleitung

Teilprojektbearbeitung