Kopplungsarten
Eine Multiphysik-Simulation oder auch gekoppelte Simulation wird immer dann notwendig, wenn eine Abhängigkeit zwischen verschiedenen, normalerweise getrennten physikalischen Fachgebieten besteht und diese entsprechend berücksichtigt werden muss. Der Begriff Multiphysik-Simulation fasst als Oberbegriff alle Simulationen zusammen, die diesem Kriterium entsprechen. Welche Fachgebiete oder welche Simulationsmethoden dabei miteinander verknüpft werden, ist für eine Einteilung zunächst nicht bedeutend. Aus numerischer Sicht ist für eine Unterscheidung viel wichtiger, wie die Umsetzung dieser Simulationsaufgabe erfolgt.
Integrierte und separierte Kopplung
Von einer integrierten multidisziplinären Simulation ist die Rede, wenn mit einem einzigen Berechnungsmodell in einem Simulationsdurchgang die verschiedenen physikalischen Disziplinen zur Lösung gebracht werden. Dem gegenüber steht die separierte Multiphysik-Simulation, bei der mehrere Berechnungsmodelle mit unterschiedlichen Solvern ihren Teil zur Gesamtlösung beisteuern. Die einzelnen Simulationen müssen hierbei untereinander Ergebnisgrössen austauschen, um so die Beziehung zueinander herzustellen. Wie oft dieser Informationsaustausch stattfinden muss, hängt von der Art und Stärke der Kopplung ab. Ist die Abhängigkeit nur in eine Richtung gegeben, spricht man von einer unilateralen Interaktion. Das Übertragen der Ergebnisse ist in diesem Fall nur einmal notwendig. Sind hingegen Wechselwirkungen vorhanden, handelt es sich um eine bi- bzw. multilaterale Kopplung. Je stärker eine Wechselwirkung ist, desto häufiger müssen in der Regel die einzelnen Gleichungssysteme gelöst und die Ergebnisse ausgetauscht werden.
Vor- und Nachteile
Auf den ersten Blick erscheint daher die integrierte Kopplung als der deutlich einfachere und effizientere Ansatz, vorausgesetzt natürlich, der Solver kann es und die vorhandene Lizenz erlaubt es, die Fachdisziplinen zu vereinen. Aber auch wenn dies der Fall ist, existieren in der technischen Praxis viele Anwendungsfälle, bei denen mit einer separierten Multiphysik-Simulation in kürzerer Zeit gleich gute oder bessere Ergebnisse erzielt werden können.
Die Gründe, die für eine separierte multidisziplinäre Simulation sprechen können, sind vielfältig. Zum einen ist da die deutlich grössere Flexibilität bei der Modellbildung zu nennen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine statische mit einer transienten Analyse gekoppelt, oder verschiedene Designstände miteinander virtuell verheiratet werden. Zum anderen kann es durchaus sinnvoll sein, die verschiedenen Simulationen mit unterschiedlich grossen Zeitschritten durchzuführen. Zusätzlich existieren vielfach unterschiedliche Anforderungen der Fachgebiete an die Vernetzung. Ein besseres Ergebnis wird erzielt, wenn darauf jeweils eingegangen werden kann und nicht mit einem Kompromiss gearbeitet werden muss. Ein zusätzlicher Aspekt, der für den getrennten Ansatz spricht, sind die teilweise ungleichen Ansprüche an die Ausstattung und Konfiguration der Hardware. Des Weiteren spricht dafür, dass Teilmodelle, die sequenziell oder auf verschiedenen Rechnern parallel verarbeitet werden, weniger Hardwareressourcen benötigen. Anstatt auf einem grossen kann verteilt auf mehreren kleinen Systemen gearbeitet werden. Und schliesslich kann der Berechnungsingenieur aktiv in den Ablauf der Lösungsfindung eingreifen, was die numerische Stabilität und damit die Lösungsfindung erheblich verbessern kann. Dem allen steht als Nachteil der Aufwand gegenüber, den Informationsaustausch zu gewährleisten. Soll das Ganze effizient ablaufen, ist dafür, insbesondere bei einer starken bilateralen Kopplung, ein automatisierter Prozess notwendig.
