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Technical University of Munich

Adaptive Levelset PArallel Code ALPACA

Generelle Klassifikation

Programming 
language

Code
architectures

Adaptive mesh
finite volume simulations

In zahlreichen ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen treten kompressible Ein- und Mehrphasenströmungen auf. Beispiele hierfür sind gerade und schräge Stoßwellen in Düsenströmungen, die zu abrupten Änderungen des Strömungszustands führen. Ebenso erzeugen Hochgeschwindigkeitseinschläge von Flüssigkeitstropfen auf starre oder elastische Oberflächen Druckwellen, die eine Explosion der Tropfen verursachen können. Auch bei der Kavitation kollabieren Dampf- oder Gasblasen und erzeugen schnelle Jets sowie hohe Druckbelastungen auf benachbarte Oberflächen. Diese Effekte sind unter anderem für Oberflächenreinigung, Materialerosion oder die Zertrümmerung von Nierensteinen von großer Bedeutung. In den vergangenen zehn Jahren haben wir den fortschrittlichen Strömungslöser ALPACA entwickelt, der robuste Simulationen mehrskaliger kompressibler Ein- und Mehrphasenströmungen ermöglicht. Zu den zentralen Eigenschaften des Solvers gehören die nahezu vollständige Erhaltung scharfer Strömungszustände, die nicht-oszillatorische Behandlung von Diskontinuitäten (z. B. Stoßwellen) sowie die Sicherstellung diskreter Erhaltungsgesetze. Unser Löser ermöglicht präzise numerische Analysen und trägt damit zu einem tieferen Verständnis komplexer strömungsdynamischer Prozesse bei, mit potenziellen Anwendungen in verschiedensten Bereichen. ALPACA ist für großskalige Simulationen auf CPUs optimiert und vollständig in C++ mit nur minimalem Einsatz externer Bibliotheken implementiert. Derzeit arbeiten wir daran, ALPACA auch für moderne Rechnerarchitekturen wie GPUs zu integrieren, um die Flexibilität und Leistungsfähigkeit des Frameworks weiter zu steigern.

Modularität

Modularity concept of ALPACA.

ALPACA ist ein gitterbasierter Mehrphasen-Strömungslöser, in dem die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen mithilfe einer flussbasierten Finite-Volumen-Diskretisierung gelöst werden. Dadurch können Hochgeschwindigkeitsströmungen einschließlich der Entstehung von Strömungsdiskontinuitäten simuliert werden. Das Auftreten solcher Diskontinuitäten wird mithilfe robuster Riemann-Löser und hochauflösender Zustandsrekonstruktionen behandelt. Ein zentrales Merkmal von ALPACA ist der modulare Aufbau, der maximale Flexibilität bietet und gezielt an die Anforderungen einer jeweiligen Anwendung angepasst werden kann. Darüber hinaus passt sich das kartesische Gitter mithilfe einer wavelet-basierten Verfeinerungsstrategie kontinuierlich an die sich entwickelnde Strömung an. Dieses Design gewährleistet hohe Recheneffizienz auch bei komplexen mehrskaligen Strömungsszenarien, ohne dass im Vorfeld detaillierte Kenntnisse über die Strömung erforderlich sind. Um die Genauigkeit der Simulation bei der Erfassung unteraufgelöster Strukturen weiter zu verbessern, beinhaltet ALPACA zusätzlich einen bidirektional gekoppelten Partikellöser.

Simulation von Mehrphasen-Strömungen

Aerobreakup simulation of a shock with speed Ma = 2.4 passing over a water droplet for different multi-phase model: diffuse-interface Γ-model (left) and sharp-interface levelset method (right).

Ein zentrales Merkmal von ALPACA ist seine Fähigkeit, hochaufgelöste kompressible Mehrphasenströmungen zu simulieren. Hierfür stellen wir verschiedene moderne Methoden zur Behandlung von Grenzflächen bereit, die von scharfen bis zu diffusen Grenzflächen-Modellierungen reichen, darunter beispielsweise Level-Set-, DEM- und Γ-Modelle. Der Vergleich auf der rechten Seite zeigt die Leistungsfähigkeit sowohl von scharfen (rechtes Bild) als auch von diffusen Methoden (linkes Bild) bei der präzisen Reproduktion makroskopischer experimenteller Ergebnisse eines Aero-Breakup-Szenarios, bei dem eine planare Stoßwelle auf einen Wassertropfen trifft. Das Γ-Modell, das durch seine diffusive Charakteristik geprägt ist, führt jedoch im Vergleich zur scharfen Level-Set-Methode zu deutlich unterschiedlichen Grenzflächenverformungen und Nachlaufstrukturen. Bei der Level-Set-Methode wird die Wechselwirkung von Stoßwellen mit der Grenzfläche jederzeit präzise aufgelöst. Diese Genauigkeit ergibt sich aus der inhärenten Trennung der verschiedenen Fluidkomponenten innerhalb des Modells.
 
Die unterschiedlichen Mehrphasenansätze in ALPACA gewährleisten nicht nur maximale Flexibilität, sondern bieten auch hochpräzise Modelle, wobei jedes Mehrphasenmodell eigene charakteristische Eigenschaften besitzt. Die scharfe Level-Set-Methode liefert die höchste Genauigkeit bei der Darstellung von Grenzflächen und stellt nur minimale Anforderungen an die zugrunde liegende Zustandsgleichung der Materialen. Diese Vorteile gehen jedoch mit einer erhöhten methodischen Komplexität, einem höheren Speicherbedarf sowie Leistungseinbußen einher. Diffuse Methoden hingegen ermöglichen eine deutlich einfachere Anpassung für Mehrkomponentensimulationen. 

Comparison of numerical complexity, interfacial accuracy, and computational efficiency of different multi-phase models implemented in ALPACA.

Maschinelles Lernen und Integration von Metadaten

Schematic representation of embedding ALPACA in open- and closed-loop applications including meta-data generation.

Wir leisten einen Beitrag zum schnell wachsenden Forschungsfeld des maschinellen Lernens für ingenieurwissenschaftliche Systeme, indem wir ALPACA als Closed-Loop-Anwendung für adaptive Experimente integrieren. Der Simulationsprozess umfasst drei Hauptschritte: Vorverarbeitung, Durchführung der Simulation und Nachverarbeitung. Während der Vorverarbeitung wird das Code-Framework an unterschiedliche Nutzerspezifikationen angepasst, sodass ALPACA entsprechend kompiliert und die Eingabeparameter für den Simulationslauf konfiguriert werden können. Nach der Durchführung der Simulation analysiert der Postprozessor relevante Zielgrößen (Quantities of Interest, QoIs) zur weiteren Untersuchung. Sobald diese QoIs vorliegen, kann das System entweder im Open-Loop- oder im Closed-Loop-Modus betrieben werden. Im Open-Loop-Ansatz erzeugen einzelne oder mehrere Simulationsläufe Datensätze, die sich für Anwendungen des maschinellen Lernens wie Gaussian Processes oder neuronale Netze eignen. Diese Datensätze können zudem für gemeinschaftliche Datennutzung und wissenschaftliche Zusammenarbeit bereitgestellt werden. Im Closed-Loop-Paradigma dienen die QoIs hingegen als Eingaben für Bayesian-Optimization- oder Reinforcement-Learning-Algorithmen. Diese steuern die Ausführung neuer Simulationen mit angepassten Anfangsbedingungen. Durch diesen iterativen Prozess werden Effizienz und Effektivität simulationsbasierter Studien deutlich verbessert und adaptive Entscheidungsfindung sowie Optimierung in ingenieurwissenschaftlichen Systemen ermöglicht. 

Ein wesentlicher Aspekt bei der Datensatzgenerierung sowie bei Open-Loop-Analysen und Closed-Loop-Anwendungen ist die präzise Verwaltung von Metadaten. Dazu zählen unter anderem Compiler-Einstellungen, Modul-Versionen, untersuchte Szenarien sowie zur Zeit des Kompilierens konfigurierte Nutzerspezifikationen. Ein umfassendes Verständnis dieser Metadaten ist entscheidend für die Reproduzierbarkeit unterschiedlicher Szenarien und Simulationskampagnen. Innerhalb von ALPACA erfassen und dokumentieren wir daher für jeden Simulationslauf einen vollständigen Satz relevanter Metadaten einschließlich sämtlicher gewählter Einstellungen. Darüber hinaus pflegen wir eine enge Zusammenarbeit mit Forschenden von NFDI4Ing, um sicherzustellen, dass unsere Metadaten stets den neuesten wissenschaftlichen Anforderungen und der schnellen Entwicklung neuer ingenieurwissenschaftlicher Ontologien entsprechen. Diese Zusammenarbeit gewährleistet eine kontinuierliche Weiterentwicklung unserer Metadateninfrastruktur und unterstützt die robuste Reproduzierbarkeit sowie die effektive Nutzung von Simulationsdaten innerhalb der Forschungsgemeinschaft. 

Anwendungen

Shock-dominated 
flows

Complex wave
interactions

Multi-phase
flows

ALPACA dient als vielseitiges Werkzeug zur Simulation komplexer mehrskaliger Strömungen, darunter starke Stoßwellen, komplexe Wellenmuster und turbulente Strömungen. Die Leistungsfähigkeit der Mehrphasenmodelle zeigt sich in ihrer erfolgreichen Anwendung auf unterschiedlichste Phänomene – von Dendritenwachstum über Strömungen freier Oberflächen bis hin zu Strömungen mit laser-induzierter Kavitation. Insbesondere bei kavitierenden Strömungen ermöglicht die Kombination des Strömungslösers mit dem Partikellöser beispielsweise die Untersuchung von Partikelreinigungsmechanismen, die durch die Wechselwirkung mehrerer gleichzeitig erzeugter laserinduzierter Kavitationsblasen entstehen. Starke Scherströmungen, hervorgerufen durch extrem schnelle Jets während des Blasenkollapses, ermöglichen dabei die Reinigung von Partikeloberflächen. Die scharfen Level-Set-Methode erweitert zudem die numerische Untersuchung von Ein- und Mehrphasenströmungen in der Nähe komplexer Geometrien. So konnte beispielsweise die Strömung innerhalb einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoffdüse (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF) mit mehreren Strömungseinlässen erfolgreich simuliert werden. 

Mehrphasen-Strömungen 

In ALPACA sind unterschiedliche Mehrphasenmodelle implementiert, die von einer scahrfen Level-Set-Methode bis hin zum diffusen Γ-Modell und DEM reichen. Die Level-Set-Methode erhält während der gesamten Simulation eine scharfe Grenzfläche und verhindert künstliche Verschmierung oder Vermischung zwischen den Phasen. Das Γ-Modell erlaubt hingegen eine kontrollierte künstliche Durchmischung in einem schmalen Bereich um die Grenzfläche herum. Beim DEM-Ansatz wird ein gemischtes Verfahren eingesetzt, bei dem alle Phasen getrennt behandelt werden und die Wechselwirkungsterme an der Grenzfläche explizit formuliert und angewendet werden. 

Shock-induced collapse (gas bubble within liquid)

      Γ-model                                                                                             Levelset method

Shock-induced collapsed (liquid drop within gas)

      Γ-model                                                                                             Levelset method

Shock-induced collapse (R22-Helium gas bubble in air) simulated with DEM

Laser-induzierte Kavitation 

ALPACA wurde erfolgreich zur Simulation laserinduzierter Kavitation eingesetzt, darunter einzelne Blasen in der Nähe einer ebenen festen Wand bei unterschiedlichen Abständen, die Wechselwirkung mehrerer Blasen im freien Feld sowie der Kollaps mehrerer Blasen nahe einer Wand, der zur Reinigung von Partikeloberflächen führt. In diesen Szenarien können sich hochgeschwindigkeits- und Überschalljets bilden, die durch die hochauflösenden numerischen Verfahren von ALPACA präzise erfasst werden. Solche Simulationen erfordern große Rechengebiete, um das korrekte Druckfeld um die Blasen sicherzustellen (L/R = 100). ALPACA bewältigt diese Herausforderungen mithilfe adaptiver Gitterverfeinerung, wodurch eine starke Gitterkompression im interessierenden Bereich und eine deutliche Gittervergröberung in Richtung der Randbereiche des Rechengebiets ermöglicht wird. 

Single bubble dynamics near planar solid wall

    Standoff distance 0.1                                          Standoff distance 0.5                                           Standoff distance 1.0

Double bubble free-field at standoff distance 0.76

Particle surface cleaning by multiple bubbles

Strömung freier Oberflächen

Wir verwenden die scharfe Level-Set-Methode in ALPACA, um Strömungen freier Oberflächen zu simulieren, wobei der Schwerpunkt auf der Wellendynamik in der schweren Fluidphase auf einer Seite der Grenzfläche liegt. Für das leichtere Fluid auf der anderen Seite wird eine feste Druck Randbedingung gesetzt, um rechenintensive Berechnungen zu vermeiden. Die adaptive Gitterverfeinerung von ALPACA stellt dabei eine hochaufgelöste Beschreibung der bewegten Grenzfläche sicher, während die gesamte leichte Fluidphase grob aufgelöst wird. Dadurch wird die rechnerische Effizienz deutlich optimiert.

Deep Splash We = 358

Crown splash We = 2010

Strömungen an komplexen Geometrien

In ALPACA verwenden wir die Level-Set-Methode zur Simulation komplexer Randströmungen und unterstützen derzeit statische (nicht bewegte) Geometrien. Die adaptive Gitterverfeinerung von ALPACA ermöglicht eine hohe Auflösung in der Nähe der Objekte, während innerhalb der Fluidphase ein gröberes Gitter eingesetzt wird. Dank der Blockstruktur können Berechnungen im Festkörperbereich vollständig vermieden werden, was effiziente Hochleistungssimulationen ermöglicht.

Nozzle flow for HVOF spray guns

Erstarrung

Die Level-Set-Methode kann aufgrund der scharfen Trennung zweier Phasen auch zur Abbildung einer dynamischen Grenzfläche eingesetzt werden. Wir haben diese Technik erfolgreich verwendet, um die Erstarrungsfront bei dendritischen Wachstums zu simulieren. Die zeitliche Entwicklung der Level-Set-Funktion wird dabei semi-implizit gelöst, wodurch die Grenzflächendynamik genutzt werden kann, um die Randbedingungen an der Interface-Grenze präzise zu definieren.

Dendritic growth

Veröffentlichungen

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