Technologie | cloudfluid — Maßgeschneiderte Strömungssimulation

Gas- und Flüssigkeitsströmungen treten in den verschiedensten technischen und nicht-technischen Systemen auf. Die zugehörigen Phänomene der Strömungsdynamik sind äußerst vielseitig und komplex. So ist die Evaluierung von Strömungsproblemen über Experimente mit aufwendigen Prototypen in vielen Fällen sehr kostspielig, wenn sie überhaupt möglich ist.

Die numerische Strömungssimulation (CFD, vom englischen computational fluid dynamics) ermöglicht eine schnelle, digitale Entwicklung von Produkten:

weniger Experimente, weniger teure Prototypen,
experimentell unzugängliche Parameter können erfasst werden und
physikalische Effekte können isoliert betrachtet werden.

Die CFD hat sich daher als wertvolles Werkzeug in der Forschung und Entwicklung im Ingenieurwesen etabliert. Wegen der Vielzahl notwendiger Modelle für die jeweiligen Spezialfälle und komplexer Parameter ist die CFD aber bisher ein Werkzeug, das von Spezialist:innen bedient werden muss, um die gewünschte Genauigkeit und Verlässlichkeit der Simulationsergebnisse zu erreichen. Hinzu kommen enorme Computerkapazitäten, die für die Lösung der rechenintensiven Algorithmen benötigt werden. Dadurch war der Einsatz von CFD – trotz ihrer Vorteile – limitiert. Maßgeblich sind dabei die mit der Strömungssimulation bisher verbundenen Personal-, Software- und Hardwarekosten. An diesen zentralen Problempunkten setzt das Angebot von cloudfluid an. Überwinden Sie diese Hürden mit unserer innovativen Simulation as a Service:

Maßgenschneiderte Lösungen

Präzise Strömungssimulationen für Nicht-Spezialisten zugänglich durch benutzerfreundliche und kundenspezifische Softwarelösungen

performance

Hocheffiziente Implementierung auf Highperformance-Grafikkarten in einer sicheren Cloud

Pay-per-Use

Flexibles Pay-per-Use-Konzept ersetzt große Jahreslizenzen, teure Hardwareinvestitionen und feste Personalkosten

Die Lattice Boltzmann Methode

Unser cloudfluid Solver nutzt zur Lösung von Strömungsproblemen die innovative Lattice Boltzmann Methode (LBM). Wie der Name besagt, wird die physikalisch tief fundierte Boltzmann Gleichung numerisch gelöst, indem sie auf einem Gitter (engl. lattice) diskretisiert wird.

Das Lösen der diskretisierten Boltzmann Gleichung führt dabei zu einem völlig anderen Algorithmus als bei der Lösung der Navier-Stokes-Gleichung, DER Grundgleichung in der Strömungssimulation, mittels zum Beispiel der Finite Volumen oder Finite Elemente Methode. Die LBM kann zwischen Methoden, die auf Molekulardynamik beruhen und einzelne Kollisionen betrachten, und Methoden, die makroskopische Erhaltungsgleichungen wie die Navier-Stokes-Gleichungen lösen, angesiedelt werden. Dieser Ansatz wird oft als mesoskopisch bezeichnet.

Der LBM-Algorithmus zeichnet sich durch eine sehr einfache Parallelisierung und hohe numerische Effizienz aus, sodass gerade zeitaufgelöste Strömungssimulationen signifikant schneller ausgeführt werden können als mit anderen Lösungsverfahren. Durch das Einarbeiten weiterer Modelle und Algorithmen können diverse physikalische Prozesse, wie beispielsweise thermodynamische Vorgänge in Fluiden oder Festkörpern, Strömungen in porösen Medien oder Mehrphasenströmungen mittels LBM berechnet werden.

Ihre Effizienz führt zu einer qualitativ neuen Stufe des Verständnisses, da sie die Lösung von Problemen ermöglicht, die bisher überhaupt nicht, nur mit stark vereinfachten Modellansätzen oder mit enormen Rechenzeiten angegangen werden konnten.

Vorteile der LBM

Rechenkapazität und Skalierung

Traditionelle Diskretisierungsverfahren wie die Finite Volumen Methode (FVM) oder die Finiten Elemente Methode (FEM) erfordern viel Fachwissen und große Rechenkapazitäten. Die Lattice Boltzmann Methode bietet hingegen eine hervorragende Präzision der Ergebnisse bei einfach kontrollierbarer Wahl der Modellparameter. Dieser Algorithmus zeichnet sich durch eine exzellente Parallelisierbarkeit aus und hat sich im Vergleich als hoch performant erwiesen:

In einer Benchmarkstudie haben wir unseren cloudfluid Solver gegen OpenFOAM, einem Open Source Solver basierend auf der FVM, verglichen. Anhand der instationären Simulation einer Strömung in einem Verbrennungsmotor wurde bei äquivalenten Ergebnissen gegenüber einem hochpräzisen Experiment ein Speedup der Simulation um bis zu 250 ermittelt – cloudfluid ist mehr als zwei Größenordnungen schneller:

Bei unserer Technologie werden die Simulation auf Hochleistungsgrafikkarten (GPU) ausgeführt. Durch die Verwendung der LBM auf GPUs gehört cloudfluid zu den schnellsten Strömungslösern der Welt und liefert präzise Ergebnisse für selbst komplexe Strömungsprobleme über Nacht. Durch unseren Einsatz von GPUs in Cloudsystemen werden dadurch weder eigene Rechenkapazität noch aufwändige Wartungen benötigt. Damit werden Hardwarekosten auf ein Minimum reduziert.

Automatisierte Workflows

Durch unseren robusten und vollständig automatisierbaren Workflow verbergen wir die Komplexität einer Fluidsimulation und entwickeln basierend auf den Wünschen unserer Kunden eine maßgeschneiderte Lösung. Die grafische Benutzeroberfläche kann an die individuellen Vorstellungen und Aufgabenstellungen angepasst werden. Sie brauchen nur noch Ihre Prozessparameter und Geometrie auszuwählen – numerische Modelle und zugehörige Parameter werden von uns vorkonfiguriert und für Ihre Anwendung validiert.

Pre- und Postprocessing

Herkömmliche Lösungen haben für die Gittererstellung einen erfahrenen Benutzer und komplizierte Algorithmen vorausgesetzt, die zu einem zeitaufwendigen Preprocessing geführt haben. Die Vergitterung des Rechengebietes ist bei cloudfluid vollständig automatisiert und extrem schnell – Gitter mit bis zu 500 Millionen Zellen können in nur wenigen Minuten erstellt werden.

Darüber hinaus bieten wir Ihnen ein benutzerspezifisches Postprocessing an. Wir zeichnen die gewünschten Ergebnisse bei der Simulation auf, wobei wir bereits während der Simulation mit der Auswertung der Daten beginnen – das erlaubt einen effizienten, reproduzierbaren und weit automatisierbaren Prozess. Anschließend werden die Simulationsergebnisse in Tabellen und Grafiken aufbereitet, damit Sie die relevanten Daten immer im Blick haben.

Sicherheit und Cloud

Modernste Hardware dank Hyperscaler

Mit unserer Cloud-basierten Simulationsumgebung profitieren Sie stets von der neuesten Hardware-Generation leistungsstarker GPUs, ohne eigene Rechenressourcen betreiben zu müssen. Wir nutzen führende Hyperscaler wie AWS und Google Cloud für die Bereitstellung der Grafikkarten, so dass Sie eine Vielzahl von Simulationen parallel durchführen können. So können Sie umfangreiche Parameterstudien oder Design of Experiments (DOE) in einem Bruchteil der Zeit durchführen und Ihre Entwicklungszyklen deutlich verkürzen.

Maximale Sicherheit durch Verschlüsselung

Die Sicherheit Ihrer sensiblen Daten hat für uns höchste Priorität und ist integraler Bestandteil unserer Infrastruktur. Ihre Daten werden während der Übertragung und Speicherung durch modernste kryptographische Sicherheitskonzepte geschützt. Alle Datenübertragungen erfolgen über HTTPS und sind Ende-zu-Ende verschlüsselt. Im Ruhezustand verwenden wir den Verschlüsselungsalgorithmus AES256, um die Daten vor unberechtigtem Zugriff zu schützen.

Isolierte Instanzen für höchste Sicherheit

Jede Simulation läuft in einer eigenen, isolierten Instanz. Diese strikte Trennung stellt sicher, dass keine Rechenressourcen gemeinsam genutzt werden. Die Instanzen werden systematisch aus einer standardisierten Vorlage erzeugt und nach Abschluss der Simulation sofort wieder gelöscht. Dies gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit und schützt Ihre Daten während der Simulation vor unberechtigtem Zugriff.

Regionale Server für optimale Performance und Compliance

Wir bieten zwei getrennte Deployments mit Servern in der EU und den USA. So bleiben Ihre Daten während der Simulation und der anschließenden Speicherung immer in Ihrer Region, was die Einhaltung lokaler gesetzlicher Bestimmungen zu Datenschutz und Datensicherheit erleichtert. Ein Export der Daten aus der jeweiligen Region erfolgt nur zu Supportzwecken und nur nach vorheriger Absprache. Darüber hinaus profitieren Sie von einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit, da sich die Server in Ihrer Nähe befinden.

Sie sind sich weiterhin unsicher, wie unsere Technologie Ihnen weiterhelfen kann? Wir analysieren das gerne mit Ihnen gemeinsam bei einem kostenlosen Erstgespräch. Machen Sie einfach einen Termin mit uns aus.

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