Die erste Ausgabe des Magazins „Benchmark“, des internationalen Magazins für Ingenieurdesigner und -analysten von NAFEMS, im Jahr 2018 trägt den Titel „Bringing it all Together: Multiphysics, Multiscale & Co-Simulation“. NAFEMS ist die internationale Vereinigung für die Gemeinschaft der Ingenieure im Bereich Modellierung, Analyse und Simulation, eine nichtkommerzielle Organisation, die im Jahr 1983 gegründet wurde. Dr.-Ing. Volker Gravemeier, Geschäftsführer der AdCo EngineeringGW GmbH ist aktives Mitglied der „NAFEMS Multiphysics Working Group (NAFEMS MWG)“.
In seinem technischen Editorial spricht Prof. Henrik Nordborg, Vorsitzender der NAFEMS MWG, einige der Trends an, die derzeit den Einsatz von Multiphysik vorantreiben. Zu den treibenden Kräften gehören unter anderem die „ständig steigende Forderung nach Genauigkeit in Simulationen, die es unmöglich machen, sich weiterhin auf zu stark vereinfachte Modelle zu verlassen“ und andererseits die Tatsache, dass „Computer immer schneller und billiger werden und uns somit die notwendige Rechenleistung bereitstellen, um komplexe Modelle handhaben zu können“. Prof. Nordborg betont jedoch, dass auf der anderen Seite das notwendige Wissen für die erfolgreiche Durchführung von Multiphysik-Simulationen besonders anspruchsvoll ist: „Heutzutage scheint die Ausbildung von Simulationsingenieuren der wichtigste einschränkende Faktor zu sein. Obwohl moderne Simulationswerkzeuge einfach zu verwenden sind, sind sie kein Ersatz für Wissen. Ohne ein grundlegendes Verständnis der Strömungsmechanik kann ein Produkt oder ein Prozess auf der Basis von Strömungen nicht entworfen werden. Ebenso ist es nicht möglich, ein mechanisches, thermisches oder elektromagnetisches Design ohne Kenntnisse dieser Felder zu machen. Ein Hauptproblem bei Multiphysik-Simulationen besteht darin, dass die meisten von uns die Universität mit nur einem Abschluss verlassen, oder im Fall, dass sie mehr als einen Abschluss haben, sind die weiteren in der Regel in einem ähnlichen Bereich anzusiedeln. Die erfolgreiche Anwendung von Multiphysik-Simulationen hängt daher entweder von außergewöhnlich hoch gebildeten Personen oder von gut funktionierenden Teams von Simulationsspezialisten ab.“ Multiphysik ist eines unserer Spezialgebiete bei der AdCo EngineeringGW GmbH, und wir können aus unserer langjährigen Erfahrung auf diesem Gebiet zu Prof. Nordborgs Aussage hinzufügen, dass sogar noch nicht einmal angemessenes Wissen im Bereich aller involvierter physikalischer Feldern ausreichend ist, sondern insbesondere die Kopplungsstrategien zwischen den Feldern und somit gute Kenntnisse dieser Aspekte entscheidend für genaue, robusten, stabilen und zuverlässigen multiphysikalische Simulationen sind. Die AdCo EngineeringGW GmbH bietet Ihnen das vereinigte Kompetenz zu den individuellen Feldern sowie der Kopplung der Felder für eine Vielzahl industriell relevanter Multiphysik-Problemstellungen.
Im Anschluss an das technische Editorial beleuchteten eine Reihe von Artikeln verschiedene Multiphysik-Anwendungen. Hubertus Tummescheit gibt beispielsweise einen „Überblick zur Co-Simulation mit dem Schwerpunkt auf ‚best practices‘“, der den Titel „Co-Simulation – Art or Science?“ trägt. Dieser Artikel beinhaltet u. a. auch eine Diskussion der Nachteile von Co-Simulationen: „In der Co-Simulation werden die ‚glatten‘ Näherungen von Variablen an Modellschnittstellen in diskreten Zeitintervallen kommuniziert. Diese Kopplung führt zu Diskontinuitäten und einer Verzögerung bezüglich der Dauer des Kommunikationsintervalls. Diese zwei Fehler, die im grundlegenden Aufbau einer Co-Simulation begründet sind, sind die Hauptursache für alle Schwierigkeiten bei ihrer Verwendung. Selbst fortgeschrittene Co-Simulationsverfahren mit ausgefeilten Masteralgorithmen können diese beiden fundamentalen Fehler lediglich reduzieren, aber nicht eliminieren.“ In einer anschließenden und detaillierteren Analyse wird u. a. die Stabilität von Co-Simulationen betrachtet: „Die Stabilitätseigenschaften … des gekoppelten Modells sind immer schlechter als die Stabilitätseigenschaften des Systems, wenn es als monolithisch modelliert würde. Co-Simulationen erfordern entweder (a) eine Verzögerung von einem Zeitschritt in der Weitergabe von Ergebnissen von der Ausgabe eines Modells zur Eingabe des nächsten Modells oder (b) eine gewisse Extrapolation von früheren Ergebnissen, um die Eingabe für ein Modell aus früheren Ausgaben vor diesem Modell schätzen zu können. Die Kopplung durch Co-Simulation verschlechtert immer die Stabilität, wie es aus der Theorie der Regelung mit Verzögerungen gut bekannt ist.“ Diese Beobachtungen von Hubertus Tummescheit stimmen sehr gut mit unseren eigenen Erfahrungen überein. Auf diesen basierend verwenden wir vorzugsweise anderen Verfahren in der Regel überlegene monolithische Ansätze für die meisten multiphysikalischen Anwendungen und können Ihnen diese anbieten.