Pictures of the Future Frühjahr 2006
Forschungskooperation
Angenehme Turbulenzen
Mit der Technischen Universität München und anderen Partnern entwickelt Siemens ein weltweit einzigartiges Modell: Es simuliert das Klima in Innenräumen – in Echtzeit und interaktiv.
Schwitzen für die Wissenschaft. Ob in Flugzeugkabinen oder Schienenfahrzeugen: mit Hilfe eines Dummys und mit Hochleistungsrechnern lassen sich künftig Luftströmungen in Echtzeit berechnen – für den optimalen Komfort der Passagiere
Heißer Kopf, kalte Füße. Der Dummy in der Flugzeugkabine schwitzt und friert gleichzeitig. Aus den Belüftungsdüsen strömt viel zu warme Luft direkt in sein Gesicht. Dafür herrscht an seinen Füßen Eiszeit. "Die Klimatisierung von Innenräumen ist eine Kunst für sich", sagt Dr. Christoph van Treeck. "Woran liegt es, dass wir bei wohligen 23 °C Raumtemperatur frieren? Oder bei 17 °C ins Schwitzen kommen – etwa wenn wir im Auto sitzen, die Klimaanlage kalte Luft auf die Brust bläst, aber durch das geschlossene Schiebedach die Sonne auf den Kopf brennt."
Der Dummy, eine neuartige Klima-Messpuppe namens Dressman, vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) in Holzkirchen bei München ist Teil des Forschungsprojekts ComfSim, an dem auch die Technische Universität (TU) München, das Ingenieurbüro Müller-BBM, das Leibniz-Rechenzentrum und Siemens Corporate Technology (CT) beteiligt sind. Finanziell gefördert wird ComfSim von der bayerischen Forschungsstiftung. "Ziel ist, ein neues Klimakomfortmodell für Innenräume zu entwickeln, mit dem sich verschiedenste Szenarien in Echtzeit, interaktiv und in 3-D simulieren lassen", erläutert van Treeck, Projektleiter am Lehrstuhl für Bauinformatik der TU München. Jeder der Partner trägt seinen Teil dazu bei. So analysiert das IBP in Gebäuden, Fahrzeugen oder im eigenen Fluglabor anhand eines originalen Flugzeugsegments, wie sich Luftströmung, Temperatur, Bekleidung und Luftfeuchte auf das Behaglichkeitsempfinden auswirken.
Dazu sind am Dressman Sensoren angebracht, die über die Messung verschiedenster Parameter die menschliche Haut simulieren. "Herkömmliche Modelle beziehen sich nur auf den Körper als Ganzes und lassen lokale Unterschiede wie ‘Kopf ist heiß, Füße sind kalt’ außer Acht. Nun können wir erstmals auch die lokale Behaglichkeit einzelner Körperteile berechnen", sagt van Treeck. "Am Lehrstuhl für Bauinformatik programmiert mein Team auf Basis der am IBP entwickelten Modelle Algorithmen für unser Simulationsmodell. Das Ingenieurbüro Müller-BBM gibt uns dafür realistische Randbedingungen vor, etwa, wie sich die Oberflächentemperaturen von Bauteilen im Laufe des Tages ändert."
Riesige Datenmengen. Ab Mitte 2006 wird ein neuer Höchstleistungsrechner am Leibniz-Rechenzentrum die riesigen Datenmengen der ComfSim-Simulationen bewältigen. "Dieser Großrechner von Silicon Graphics wird um das 30-fache schneller sein als der bisherige HITACHI SR-8000", sagt van Treeck. "Er wird damit zu den zehn schnellsten der Welt gehören." In der ersten Ausbaustufe kann er bis zu 33 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde (33 Teraflops) durchführen, im Endausbau im Jahr 2007 werden es sogar 69 Teraflops sein. Damit wird es weltweit erstmals möglich, komplexe Behaglichkeitsstudien in Echtzeit durchzuführen und das Simulationsszenario interaktiv zu verändern. Ein Riesenvorteil insbesondere für die Bau-, Automobil-, Schienenfahrzeug- und Flugzeugindustrie. "Dank ComfSim können Ingenieure, Designer und Architekten dann bereits während der Konstruktionsphase auf die Ergebnisse der Simulation zurückgreifen, was die Zuverlässigkeit der Entwürfe deutlich erhöht. Planungsfehler lassen sich damit sofort erkennen und vermeiden", erläutet Barbara Neuhierl, projektverantwortlich für ComfSim bei Siemens CT.
Ob Heizung, Klimaanlage oder Lüftung, Strömungssimulationen in der Industrie sind an sich ein alter Hut. "Natürlich werden viele Konstruktionen heute über Simulationen abgesichert", sagt Neuhierl. "Bislang war es aber nicht möglich, am Bildschirm Dinge im Raum, etwa einen Schreibtisch im Büro, zu verschieben und auf Knopfdruck zu sehen, wie sich die Strömungsverhältnisse ändern und dabei gleichzeitig eine Bewertung der Ergebnisse vorzunehmen. Eine Simulation in Echtzeit und zudem interaktiv wie bei ComfSim ist weltweit einmalig."
Und was bringt das den Anwendern? "Wo ComfSim Simulationen auf Knopfdruck liefert, benötigen herkömmliche Verfahren mehrere Tage oder gar Wochen", sagt Neuhierl. "Wesentlich schneller zu sein und die Entwicklungszyklen zu reduzieren, bedeutet für die Industrie effizienter zu fertigen und mehr Geld zu verdienen."
"Bei Ausschreibungen im Schiffsbau – etwa für den Maschinenraum eines Fährschiffes – bekommt der Konstrukteur nur sieben Tage Zeit", berichtet van Treeck. "In einer Woche ein Simulationsmodell zu erstellen, ist normalerweise nicht möglich." Doch Planungsfehler würden am Ende der Entwicklungsphase enorme Kosten verursachen. "Mit ComfSim geben wir dem Konstrukteur ein Werkzeug in die Hand, mit dem er sofort überprüfen kann, ob etwa die vorgesehene Kühlung des Maschinenraums richtig ausgelegt ist."
Behaglichkeit im VR-Labor. Ein weiteres Ziel von ComfSim ist, das Simulationsmodell in die Virtual-Reality-Umgebung von Siemens zu implementieren (Virtual-Reality-Labor). "Im VR-Labor können wir ganz und gar in die virtuelle Realität eintauchen", sagt Neuhierl. "Schon in drei Jahren können wir hier mit Entscheidern zusammensitzen und etwa die Innenräume eines neuen Schnellzuges entwerfen. Oder wir sehen uns an, welche Auswirkungen bauliche Veränderungen an einem Glaspalast auf die Luftströmung in den Räumen und den Brandschutz haben. Wo gibt es Turbulenzen, wo steht die Luft, wie verändert ein geöffnetes Fenster die Luftströmung, an welchen Stellen verliert das Gebäude Energie, all diese Fragen wird uns das Modell sofort beantworten."
Damit nicht genug. Bis 2008 will es das ComfSim-Team bei Siemens schaffen, eine offene Plattform zu entwickeln, auf die sich Kollegen aus aller Welt zuschalten können. "Bei Siemens arbeiten wir dezentral rund um den Globus. Künftig können sich z.B. drei Mitarbeiter – einer in China, einer in den USA und einer in Deutschland – im VR-Raum treffen und ganze Kraftwerksanlagen konstruieren oder neue Produkte designen", sagt Bernd Friedrich, Kompetenzfeldleiter Digital Product bei CT. Nach Belieben können sie dabei an ihrem eigenen PC arbeiten oder sich in einen VR-Raum vor Ort begeben. "Wir nähern uns der physikalischen Realität immer mehr an. Im ComfSim-Modell werden nicht nur Parameter wie Temperatur, Luftfeuchte, Luftströmung und Turbulenzen berücksichtigt, sondern auch Strahlungsaspekte, also wie stark etwa die Sonne die Oberfläche meines Schreibtisches aufheizt." Ob dann in allen Büroräumen das optimale Klima herrschen wird? "Was die Klima- und Belüftungstechnik angeht, auf jeden Fall", sagt Friedrich und schmunzelt.
Ulrike Zechbauer
Luftströmungen im Computer
Soll der Fahrgastraum eines Zugs simuliert werden, wird dessen CAD-Konstruktionsmodell in mehrere Millionen Gitterpunkte zerlegt. Mit physikalischen Gleichungen (Navier-Stokes) lassen sich dann im Prinzip die Luftströmungen berechnen. Doch ComfSim verwendet eine neuartige Methode: das Lattice-Boltzmann-Verfahren, mit dem sich auch turbulente, konvektive Luftströmungen gut berechnen lassen. Das Verfahren nutzt Methoden der statistischen Physik – die Boltzmann-Gleichung beschreibt die Wechselwirkung mikroskopischer Teilchen. Im Lattice-Boltzmann-Verfahren bewegen sich nun nicht Einzelteilchen im Raum, sondern Teilchendichtefunktionen auf Gitterpunkten. Auf makroskopischer Ebene entspricht das den Navier-Stokes-Gleichungen, doch es ist besser für eine effiziente Programmierung auf Computern geeignet. Insbesondere Simulationen, bei denen sich die Geometrie des Rechengebietes permanent ändert – etwa wenn der Konstrukteur ein Strömungshindernis in Echtzeit verschieben will –, werden hiermit überhaupt erst möglich.