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SFB 716:  Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen

Fachliche Zuordnung Chemie
Biologie
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Physik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2007 bis 2018
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17546514
 
Erstellungsjahr 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Simulationen stellen ein ideales Werkzeug dar, um komplexe Fragestellungen zu den Grundlagen der kondensierten Materie, zu Materialeigenschaften und zu biochemischen oder verfahrenstechnischen Prozessen zu klären. Die meisten dieser Fragen sind gar nicht oder nur sehr aufwändig durch theoretische Beschreibungen oder Experimente zu beantworten. Simulationen bestimmter Modelle können auf vielerlei Skalen betrieben werden, je nachdem welches Problem gelöst werden soll. Im SFB 716 wurden verschiedenste Problemstellungen aus dem natur- und ingenieurwissenschaftlichen Umfeld der Universität Stuttgart mittels Teilchenmethoden untersucht, sowohl auf atomistischer Längenskala wie in Proteinen oder der DNS, aber auch auf der makroskopischen Millimeterskala, wie bei Bruchvorgängen in granularen Festkörpern oder der Partikelaggregation in turbulenten Strömungen. Ein großer Vorteil der Teilchensimulationen ist, dass die Lücke zwischen quantenmechanischen Ab-initio-Verfahren und vergröberten Kontinuumsmethoden ohne phänomenologische Annahmen geschlossen werden kann. Sie wurden daher erfolgreich in Multiskalen-Hybridrechnungen eingesetzt. Große Herausforderungen bestanden darin, genaue und effizient implementierbare Kraftfelder zu entwickeln, gut durchdachte Vergröberungen durchzuführen, neue Algorithmen zu entwickeln, Software für moderne Hardwarearchitekturen anzupassen und zu optimieren, und schließlich die enormen Datenmengen der Simulationsergebnisse durch geeignete Visualisierungsverfahren und Datenreduktionsmechanismen auszuwerten und verständlich aufzubereiten. Im Rahmen der Zusammenarbeit der Projektleiter und Bearbeiter, die aus sechs unterschiedlichen Fakultäten kamen, wurde ein weitreichendes Verständnis der physikochemischen Grundlagen sowie der anwendungsrelevanten Fragestellungen, aber auch viele neuen Lösungsstrategien entwickelt. Der SFB 716 hat sich in den letzten zwölf Jahren intensiv mit der Entwicklung, Optimierung und Validierung von Teilchensimulationsalgorithmen, Programmcodes, Visualisierungsmethoden und Kraftfeldern sowie der Übertragung der Ergebnisse auf experimentell zugängliche Systeme, und damit auf die Überprüfbarkeit der benutzten Modelle durch die Realität konzentriert. Hierzu wurden insbesondere die Simulationsprogrammpakete IMD, Pasimodo, ESPResSo, sowie das Visualisierungsframework MegaMol weiterentwickelt, aber auch Methoden in andere Softwareumgebungen integriert, validiert, und optimiert. Das Anwendungsspektrum der Methoden reichte dabei von der Agglomeration von Rußteilchen, Goldnanopartikeln, oder supramolekularen Komplexen, über das Festigkeitsverhalten von Kupferbasislegierungen, der Laserabtragung von Materialien, hin zu Proteinwechselwirkungen, der Sequenzierung von DNS in Nanoporen, oder Entfaltungspfaden von bestimmten DNS-Konformationen, um nur einige Beispiele zu nennen. Daneben wurden viele neuartige Algorithmen im HPC-Bereich entwickelt, und interaktive Visualisierungstechniken und Datenanalysen implementiert. Daneben hat der SFB 716 aber auch wesentlich zur Weiterentwicklung der Partikelmethoden im Exzellenzcluster SimTech beigetragen, sowie ebenfalls aktiv das Lehrangebot im Elite-Bachelor- und Masterstudiengang "Simulation Technology“ erweitert. Letztendlich haben SFB 716 Mitglieder dadurch auch einen Beitrag zum Erfolg des neuen Exzellenzclusters „Daten-integrierte Simulationswissenschaft“ geleistet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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