Thermo- und Fluiddynamics

Thermodynamik und Strömungsmechanik treten in allen Bereichen unseres Lebens auf. Der Umgang im Alltag beruht dabei meist auf Erfahrungswerten – wenn man so will: Experimenten. Möchte man beispielsweise wissen, ob ein Kochtopf noch heiß ist, wartet man eine Zeit und fasst ihn kurz an. Möglicherweise ein paar Brandwunden später, kann man in etwa abschätzen wie lange es dauert, bis der Topf vollständig abgekühlt ist. Auch würde niemand wohl auf die Idee kommen, berechnen zu wollen, wie lange umgerührt werden muss, bis Zucker und Milch gleichmäßig im Kaffee verteilt sind.

Im technischen Bereich ist jedoch eine intensive Beschäftigung mit der Thermodynamik und Strömungsmechanik unbedingt notwendig.

Hier einige Beispiele:

  • Wie muss eine Turbine gebaut werden um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu haben?
  • Was kann getan werden um den Strömungswiderstand eines Auto reduzieren, ohne dass das Design allzu sehr darunter leidet?
  • Welche Temperaturen treten wo bei einem Verbrennungsmotor auf?
  • Wie erhält ein Flugzeug einen möglichst großen Auftrieb?
  • Blut ist auch ein Fluid, auf welche Weise können also Teile des Blutkreislaufes simuliert werden, um die Orte von Aneurysma zu lokalisieren?
  • Strömungen und Temperaturen bestimmen unser Wetter, wie können wir also zuverlässig vorhersagen wie das Wetter wird?
  • Welche Schäden sind an welchen Gebäuden zu erwarten, wenn eine Stadt von einem Wirbelsturm erfasst wird?

Mit einem Taschenrechner berechenbare Formeln lassen sich noch bei einfachen Geometrien finden – wie die Temperaturverteilung in einem Stab oder die Geschwindigkeitsverteilung von Wasser in einem runden Kanal.

Doch schon bei etwas komplexeren Geometrien ist die Simulation mit Hilfe eines Computers nicht mehr wegzudenken. Selbst mit Hochleistungsrechnern oder mehreren verbundenen Computern (Cluster), müssen viele physikalische Vereinfachungen getroffen werden, um eine Simulation überhaupt zu ermöglichen, und es dauert oft immer noch Tage, Wochen oder Monate.

Was auf den ersten Blick eher demotivierend wirkt, birgt gleichzeitig viele Chancen und Perspektiven für zukünftige Ingenieure. Obwohl schon seit über 30 Jahren Computerprogramme zur Simulation entwickelt werden, wird es in absehbarer Zeit keines geben, das „schnell alles“ berechnen kann. Zu sehr unterscheiden sich die Anwendungsgebiete, Computerarchitekturen sind einem laufenden Wandel unterworfen und Berechnungsmethoden (Algorithmen) werden auch ständig (weiter-) entwickelt.

Vorlesungen in der Thermodynamik und Strömungsmechanik vermitteln dabei die physikalischen Grundlagen und liefern mathematische Modelle. In Veranstaltungen der angewandten Mathematik wird gezeigt, wie aufwändige mathematische Probleme näherungsweise gelöst werden können. Die Informatikvorlesungen sind wichtig für die folgende Implementierung der Berechnungen auf einem Computer und der Darstellung der Ergebnisse mit Hilfe der Computergrafik.

Kombinationen mit Informatik

Zum einen ist eine enge Verknüpfung mit dem Lehrstuhl für graphische Datenverarbeitung gegeben, um Simulationsergebnisse anschaulich darzustellen. Zum anderen wird auch die Verbindung zum Lehrstuhl für Mustererkennung, ins Besondere mit dem Bereich der medizinischen Bildverarbeitung, immer größer. Ein aktuelles Forschungsprojekt ist die Erkennung von Aneurysmen mittels medizinischer Bildverarbeitung und anschließend die graphische Darstellung der Flußgeschwindigkeiten bzw. des Druckes mittels graphischer Datenverarbeitung.

Studienkonzept

Zu finden auf der CE-Homepage unter Studienführer.