Im Rahmen einer interdisziplinären Studie wurde am Forschungscampus STIMULATE in der Forschungsgruppe Medical Flows erstmals ein Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Simulation einer Kehlkopfströmung durchgeführt. Dabei wurde auf Grundlage medizinischer Bildgebung eine dreidimensionale, patientenspezifische Kehlkopfgeometrie erstellt und der darin stattfindende Vorgang des Ausatmens in drei Genauigkeitsstufen virtuell reproduziert.
Mithilfe der sogenannten direkten numerischen Simulation (DNS) konnte eine extrem hohe räumliche Auflösung der Strömung (0.039 mm in alle Raumrichtungen) erzielt werden. Zur Erreichung dieser Genauigkeit war der Einsatz von mehr als 4000 CPUs auf Hochleistungsrechnern und eine Gesamtrechenzeit von 3,5 Wochen notwendig.
Die Studie zeigte, dass durch die Modellierung von Teilen der Turbulenzen mithilfe der sogenannten Large Eddy Simulation die Simulationszeit um etwa 90% reduziert werden kann (circa 1,5 Tage), ohne dabei einen erheblichen Genauigkeitsverlust zu erfahren.
Die Arbeit wurde in der kompetitiven Fachzeitschrift Computers & Fluids (Akzeptanzrate 22%) publiziert:
Abdelsamie, A., Voß, S., Berg, P., Chi, C., Arens, C., Thévenin, D., Janiga, G.: Comparing LES and URANS results with a reference DNS of the transitional airflow in a patient-specific larynx geometry during exhalation, Computers and Fluids, Available online 9 February 2023, 105819
Die vollständige Publikation ist mit Journalzugang hier einsehbar.
(Februar 2023)
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Worldwide unique simulation of a laryngeal flow
As part of an interdisciplinary study, a comparison of different approaches to simulating laryngeal flow was carried out for the first time at the research campus STIMULATE in the Medical Flows research group. Based on medical imaging, a three-dimensional, patient-specific laryngeal geometry was created and the process of exhalation taking place in it was virtually reproduced in three levels of accuracy.
With the help of the so-called direct numerical simulation (DNS), an extremely high spatial resolution of the flow (0.039 mm in all spatial directions) could be achieved. Achieving this accuracy required the use of more than 4000 CPUs on high-performance computers and a total computing time of 3.5 weeks.
The study showed that by modeling parts of the turbulence using the so-called large eddy simulation, the simulation time can be reduced by about 90% (circa 1.5 days) without experiencing a significant loss of accuracy.
The work was published in the competitive journal Computers & Fluids (acceptance rate 22%):
Abdelsamie, A., Voß, S., Berg, P., Chi, C., Arens, C., Thévenin, D., Janiga, G.: Comparing LES and URANS results with a reference DNS of the transitional airflow in a patient-specific laryngeal geometry during exhalation, Computers and Fluids, Available online 9 February 2023, 105819
The full publication can be viewed with journal access here.
(February 2023)
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Abbildung: Geschwindigkeits- und Druckverteilung in einer Kehlkopfströmung mit unterschiedlichen Simulationsansätzen: Direkte numerische Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES), Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS).
Figure: Velocity and pressure distribution in a laryngeal flow with different simulation approaches: Direct Numerical Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES), Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS).
Eröffnung
