Größte europäische Supercomputersimulation zur Feinstruktur der Turbulenz

Die Simulationen werden Aufschlüsse über die Dynamik und die Organisation eines der komplexesten Naturphänomene liefern und werden am Neumann Institut für Computing im Forschungszentrum Jülich durchgeführt.

Beim Begriff der Turbulenz fallen uns stark verwirbelte Strömungsmuster ein, wie sie schon Leonardo da Vinci skizziert hat und wie wir sie heute jeden Abend bei der Wettervorhersage sehen können. Es ist eine grundlegende Frage der Turbulenzforschung, wie dieser Tanz der Wirbel umeinander und ihr ständiges Werden und Vergehen erfasst und vorhergesagt werden kann. Die miteinander wechselwirkenden Strömungswirbel können im gewissen Sinne als die „Atome“ der Turbulenz angesehen werden. Anders als die Bausteine der Materie können sie allerdings von sehr unterschiedlicher Größe sein: nach oben sind sie nur durch die Abmessungen der Strömung limitiert, nach unten durch die Skalen, auf denen die viskose Reibung dominiert.

Die hierarchisch organisierte Verteilung über all diese Längen ist ein charakteristisches Merkmal für ein hochgradig komplexes System. Ein Verständnis der Organisationsstrukturen und -mechanismen hilft dann bei der Erklärung von Wolkenbildung und Regenentstehung oder bei der Verbrennung in Motoren.

Die Gleichungen, die turbulente Strömungen beschreiben, sind seit über 150 Jahren bekannt. Die Rückkopplungen der Strömung auf sich selbst machen die Gleichungen allerdings nichtlinear, so dass kaum analytische Lösungen bekannt oder möglich sind.

Um Einsichten in das Verhalten der Strömungen zu gewinnen, ist man daher auf numerische Simulationen angewiesen. Mit der jüngsten Generation von Supercomputern, bei denen sich Tausende von Prozessoren die Rechenarbeit teilen, gelingt es nun, die vielen Milliarden Gleichungen, die für die Beschreibung einer turbulenten Strömung erforderlich sind, numerisch zu lösen.

Professor Jörg Schumacher (Fakultät für Maschinenbau der TU Ilmenau) und Professor Bruno Eckhardt (Fachbereich Physik der Universität Marburg) ist nun zusammen mit Professor Katepalli R. Sreenivasan vom International Centre for Theoretical Physics in Triest (Italien) ein Supercomputing-Projekt bewilligt worden, bei dem die bisher größte derartige Simulation zur Feinstruktur der Turbulenz im Rahmen der Europäischen DEISA-Initiative (Distributed European Infrastructure for Supercomputer Applications) durchgeführt werden wird.

Anders als bei vielen anderen Simulationen, bei denen versucht wird, den Grad der Turbulenz sehr hoch zu treiben, sollen hier die Wirbel in bisher unerreichtem Detail, vom größten bis zum kleinsten „Turbulenzatom“, aufgelöst werden. Die engmaschige Vernetzung der Wirbel untereinander wird dann Aussagen über das turbulente Verhalten auf vielen Skalen ermöglichen.

Das „numerische Experiment“ findet auf einem massiv parallelen Supercomputer am Neumann Institut für Computing am Forschungszentrums Jülich statt. Das dort 2004 eingeweihte JUMP-Cluster mit 1312 Prozessoren ist einer der leistungsfähigsten Rechner in Europa. Die Betreuung des Experiments erfolgt von Ilmenau aus über Hochleistungsdatenleitungen.

Weitere Informationen:
Technische Universität Ilmenau
Professor Jörg Schumacher, Fakultät für Maschinenbau,
Fachgebiet Theoretische Strömungsmechanik,
Tel. 03677-69-2428, 03677-69-1281
E-Mail: joerg.schumacher@tu-ilmenau.de