Die Arbeitsgruppe stellt sich vor
Unsere Forschung umfasst inkompressible bis hin zu kompressiblen und supersonischen turbulenten Strömungen. Forschungsschwerpunkte liegen in der numerischen und experimentellen Analyse von Turbulenz, Aeroakustik und der Strömungsbeeinflussung. Hierzu verwenden wir die Direkte Numerische Simulation (DNS), Grobstruktursimulation (LES) sowie statistischen Methoden (RANS). Wir entwickeln und erweitern numerische Methoden zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, bspw. die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Zudem steht dem Lehrstuhl ein aeroakustischer Windkanal mit reflexionsarmen Halbfreifeldraum mit schallabsorbierender Auskleidung zur Verfügung. Weitere Details zu den Schwerpunkten finden sie unten.
Aktuelles aus der Arbeitsgruppe
Partnerschaft mit Kenia: Dr. Stahl besuchte mit Prof. Carolus (em.) und Alicia Platt die Universität DeKUT (Dedan Kimathi University of Technology) in Nyeri in Kenia. Die Partnerschaft besteht bereits seit 10 Jahren. Nähere Infos finden Sie in unserem Bericht.
Neu im Portfolio der Lehre ist die Lehrveranstaltung "Experimentelle Messtechniken in der Aeroakustik und Aerodynamik" ( 4MBBA7301V). Frau Dr. Stahl wird den Bogen von den Grundlagen der Strömungsmesstechnik und Windkanalechnologie bis hin zur Versuchsplanung und Durchführung schlagen.
Über unsere Arbeitsgruppe
Kurzvorstellung der Arbeitsgruppe in Zitatform
Historische Perspektive
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Mathematik ist ein kulturelles Unternehmen der Menschheit von kaum zu überschätzender Bedeutung. Dieses zieht sich durch wenigstens drei Jahrtausende der (westlichen) Geistes- und Kulturgeschichte und markiert bzw. begleitet immer wieder entscheidende Entwicklungen. Insbesondere ist die Philosophie eines Platon oder Aristoteles oder die des oben zitierten Leibniz, aber auch die (natur)wissenschaftliche Revolution, die sich mit den Namen Galilei und Newton verbindet, und damit ein fundamentaler Wandel im Blick der Menschheit auf die Natur ohne Beschäftigung mit der entsprechenden Mathematik nicht angemessen zu verstehen. Neben einer ideen- und kultur-geschichtlichen Perspektive auf solche Entwicklungen sind insbesondere die folgenden Autoren im Fokus der Arbeitsgruppe:
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Systematische Perspektive
Eine Aufgabe der Ästhetik der Mathematik besteht in der systematischen Beschreibung und Erforschung der der Mathematik immer wieder zugeschriebenen Schönheit und ihres Kunstcharakters. Über die in der Öffentlichkeit vorherrschende statische Produktsicht hinaus, können mithilfe der mathematikästhetischen Perspektive selten beachtete Facetten von Mathematik und mathematischem Schaffen herausgestellt werden. Die Annahme der Kunstähnlichkeit liefert dabei eine Sprache zur Beschreibung. Auf diese Weise trägt die mathematikästhetische Perspektive zu einem umfassenden Bild von Mathematik bei.
In der aktuellen fachdidaktischen Landschaft mag das Thema Mathematik und Bildung ein wenig unzeitgemäß wirken. Ist doch die Aufmerksamkeit der meisten am Lehren und Lernen von Mathematik Interessierten noch immer nachhaltig geprägt durch den Einfluss großformatiger quantitativ-empirischer Tests und rankings sowie durch die Diskussion (mehr oder weniger überzeugender) Anwendungen der Mathematik. Gerade deswegen ist es an der Zeit, einen Kontrapunkt zu setzen, die schlichte Frage: „Was ist das eigentlich – Mathematik, und was trägt sie zur (Allgemein)bildung bei?“ zu stellen und Antwortversuche zu diskutieren. Wer eine Disziplin verantwortlich unterrichten will, darf sich solchen Fragen jedenfalls nicht grundsätzlich verschließen, die nicht nur für eine reichhaltige und angemessene Präsentation des Faches unverzichtbar sind, sondern auch für die Frage nach der Berechtigung, eine solche Disziplin überhaupt und in den jeweils ausgewählten Gegenständen zu unterrichten.
Während mittlerweile eine etablierte und differenzierte Ethik in den Wissenschaften den Diskurs über die und mit den Natur- und Ingenieurwissenschaften führt, erreicht dieser im Bereich der Formalwissenschaften allenfalls noch die Informatik. Dabei liegt der Versuch einer gegenseitigen Bezugnahme von Ethik und Mathematik bereits insofern nahe, als sowohl Moral – und damit auch deren Reflexion in der Ethik – als auch Mathematik in hohem Maße universelle Beobachtungsmittel sind. Dieser Universalität entsprechen zwei Blickrichtungen: Einerseits können Mathematik und Mathematische Forschung aus ethischer Perspektive beurteilt werden; hier ergeben sich die typischen Fragen einer Verschränkung von Wissenschaft und Anwendung; dabei kommt der Disziplin Mathematik mit ihrer für die wissenschaftlich-technische Kultur zentralen Rolle ein entsprechendes Maß an Verantwortung zu. In der umgekehrten Richtung kann die orientierende Rolle der Mathematik für die ethische Theoriebildung analysiert werden, wobei der Streit darum, inwieweit sich der ethische Diskurs am Vorgehen der Mathematik(er) zu orientieren habe, die gesamte westliche Geistesgeschichte begleitet und prägt.
Unser Forschungsprofil
Forschungsschwerpunkte
Hauptschwerpunkt des Lehrstuhls ist die Untersuchung turbulenter Strömungen. Hierzu wurden kanonische Strömungen (bspw. Freistrahl, Mischungsschichten, Kanal- und Rohrströmungen, isotrope und homogene Turbulenz) wie auch realistische Konfigurationen aus der Industrie untersucht.
Wir interessieren uns insbesondere für Kompressibilitätseffekte in sub- und supersonischen Strömungen, den veränderten Energietransfer und Wärmeübergänge. Gezielt werden in diesem Zusammenhang intrinsische Kompressibilitätseffekte (Fluktuationen der Dilatation aufgrund von Druckfluktuationen), oder sogenannte "variable property effects" (die Auswirkungen großer Unterschiede in der Dichte oder Temperatur bzw. aufgrund unterschiedlicher Speizies in Mischungsprozessen) untersucht.
Gleichzeitig versuchen wir zu erforschen, wie turbulente und laminare Strömungen gezielt beeinflusst werden können. Hierzu wurden die adjungierten Navier-Stokes-Gleichungen gelöst um Kostenfunktionale zu minimieren, bspw. um Schall zu reduzieren oder Reibungswiderstand zu verkleinern. Daneben wurden auch andere Möglichkeiten genutzt, unter anderem das gezielte Erzeugen von Wandoszillationen um den Widerstand von wandgebundenen Strömungen zu reduzieren.
Der Lehrstuhl hat Jahrzehnte Erfahrung in der Durchführung von direkten numerischen Simulationen (DNS), Large Eddy Simulation (LES) oder statistischer Modellierung (RANS). Viele wegbereitende DNS wurden durchgeführt oder bspw. filterbasierte LES-Modelle entwickelt, wie auch automatisierte Methoden zur physikalisch basierten Gittererzeugung für RANS-Modelle motiviert durch Dissipationselemente.
In den letzten Jahren wurde viel Expertise im Bereich der Lattice-Boltzmann Simulation (LBM) aufgebaut. Neue Methoden (Semi-Lagrangian LBM (SLLBM) wurden für inkompressible und kompressible Strömungen entwickelt, die die Kopplung von Zeit- und Raumschritten umgehen können (NATRIUM). Daneben wurde ein auf PyTorch basierender LBM Löser geschrieben (LETTUCE), der damit bspw. automatische Differenzierung oder die Verwendung von Machine Learning Methoden ermöglicht. Hierdurch wurden LBM Verfahren mit neuronalen Kollisionsoperatoren oder optimierten nichtreflektierenden Randbedingungen entwickelt.
Seit Kurzem besitzt der Lehrtsuhl einen aeroakustischen Windkanal
Göttinger Bauart mit offener Messstrecke (Details hier). Hieran forscht der Lehrstuhl im Bereich der Aeroakustik turbulenter Strömungen, flankiert durch numerische Simulationen.
Forschungsschwerpunkte
- Turbulenz
- Supersonische Strömungen
- Untersuchung intrinsischer und variable-Dichte Kompressibilitätseffekte
- Mischungsprozesse
- Aeroakustik
- Machine-Learning (z.B. in Strömungsbeeinflussung, Modellierung)
- Strömungsbeeinflussung (Adjungierte Navier-Stokes-Gleichungen, aktive und passive Strömungsbeeinflussung)
- Lattice-Boltzmann Methode
- Modellierung (RANS, LES)
Publikationen
Ausgewählte Publikationen
Compressibility effects and turbulence scalings in supersonic channel flow
Compressibility effects and turbulence scalings in supersonic channel flow
Reduction of outflow boundary influence on aerodynamic performance using neural networks
Reduction of outflow boundary influence on aerodynamic performance using neural networks
Oscillating grid Turbulence: the influence of Reynolds number and forcing
Oscillating grid Turbulence: the influence of Reynolds number and forcing
Lattice Boltzmann method with artificial bulk viscosity using a neural collision operator
Lattice Boltzmann method with artificial bulk viscosity using a neural collision operator
Aktuelle und abgeschlossene Projekte
Forschungs- und Industrieprojekte
Gerade abgeschlossen:
- Widerstandsreduktion kompressibler turbulenter Strömungen durch wandbasierte Beeinflussung (M. Ruby, Dissertation).
- Kontrolle der turbulenten Grenzschichtströmung durch schwache Volumenkräfte (G. Khujadze, DFG)
- Industrieprojekte mit Dango & Dienenthal sowie SPG Steiner GmbH.
Kontakt zur Arbeitsgruppe
Postadresse
Universität Siegen
Prof. Dr. Holger Foysi
Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Paul-Bonatz-Str. 9-11
57076 Siegen
Besucheradresse
Universität Siegen
Lehrstuhl für Strömungsmechanik
3.,Stock, PB-A 324
Email: holger.foysi@uni-siegen.de
Paul-Bonatz-Str. 9-11
57076 Siegen
Weitere Informationen
Bitte wenden Sie sich an das Sekretariat,
Frau Petra Hatzig:
Telefon: ++49-(0)271-740-4682
Fax : ++49-(0)271-740-2666