Binärströmung

In dieser Folge spricht Gudrun mit Anne Bayer und Tom Braun. Sie
sind im Bachelorstudiengang Wirtschaftsmathematik bzw. 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 zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher
Lattice Boltzmann Research Group weiter entwickelt 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 einführendes 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, z.B. aus
Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der
Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der
Doktorandin der Gruppe, die 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 und in den aktuellen
Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die
Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet.


Anne und Tom betrachten einen Würfel, in dem zwei Flüssigkeiten
enthalten sind, die sich nicht mischen können. Konkret ist eine
Tropfen von Fluid 1 ist in ein Fluid 2 eingebettet. Dadurch
entsteht insbesondere eine diffuse Grenzfläche zwischen beiden,
die durch mehrere physikalische Faktoren beeinflusst ist, wie
z.B. 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 aufgrund dieser
Oberflächenspannung einen anderen Druck im Inneren als im das
Fluid im 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 dem Punkt am weitesten entfernt betrachtet wird (in
diesem Fall den Punkt aus der linken unteren Ecke).



Literatur und weiterführende Informationen

A. Komrakova e.a.: Lattice Boltzmann simulations of drop
deformation and breakup in shear flow International Journal of
Multiphase Flow 59, 24-43, 2014.




Podcasts

L. Dietz, J. Jeppener, G. Thäter: Gastransport - Gespräch im
Modellansatz Podcast, Folge 214, Fakultät für Mathematik,
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2019.

A. Akboyraz, A. Castillo, G. Thäter: Poiseuillestrom -
Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 215, Fakultät für
Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2019.