Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Kommunikation
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Der Beitrag untersucht, wie ein Präsenzlabor durch ein Remote-Labor ergänzt undersetzt werden kann. Dazu wird das Laborpraktikum Digitaltechnik der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg betrachtet, bei dem ein Remote-Labor Flexibilität bei der Versuchsdurchführung bietet und Versuche ermöglicht, die allein mit dem Präsenzlabor nicht möglich wären. Neben der Ergänzung der Präsenzversuche können Studie-rende das Praktikum auch komplett im Remote-Labor durchführen. Durch klare Anforderungen an die Erteilung eines Testats ist dies sowohl für sie als auch für Lehrende praktikabel zu handhaben. Rückmeldungen der Studierenden und Nutzungszahlen belegen die Akzeptanz des Remote-Labors. Dabei zeigt sich, dass die Studierenden sehr heterogen mit dem Remote-Labor umgehen: Einige von ihnen nutzen das Remote-Labor als zusätzliche Praktikumszeit für Versuche die auch im Präsenzlabor möglich wären; andere nutzen es als Erweiterung der Praktikumsmöglichkeit für Versuche, die nur im Remote-Labor möglich sind und wieder andere arbeiten intensiv im Remote-Labor und reichen auch das Praktikumsprotokoll elektronisch ein. Für Lehrende besteht über das Protokoll und die Auswertung der Nutzungsdaten ausreichende Sicherheit, um aktive Beteiligung am Praktikum zu testieren.
This work thoroughly investigates a semi-Lagrangian lattice Boltzmann (SLLBM) solver for compressible flows. In contrast to other LBM for compressible flows, the vertices are organized in cells, and interpolation polynomials up to fourth order are used to attain the off-vertex distribution function values. Differing from the recently introduced Particles on Demand (PoD) method , the method operates in a static, non-moving reference frame. Yet the SLLBM in the present formulation grants supersonic flows and exhibits a high degree of Galilean invariance. The SLLBM solver allows for an independent time step size due to the integration along characteristics and for the use of unusual velocity sets, like the D2Q25, which is constructed by the roots of the fifth-order Hermite polynomial. The properties of the present model are shown in diverse example simulations of a two-dimensional Taylor-Green vortex, a Sod shock tube, a two-dimensional Riemann problem and a shock-vortex interaction. It is shown that the cell-based interpolation and the use of Gauss-Lobatto-Chebyshev support points allow for spatially high-order solutions and minimize the mass loss caused by the interpolation. Transformed grids in the shock-vortex interaction show the general applicability to non-uniform grids.
Turbulent compressible flows are traditionally simulated using explicit Eulerian time integration applied to the Navier-Stokes equations. However, the associated Courant-Friedrichs-Lewy condition severely restricts the maximum time step size. Exploiting the Lagrangian nature of the Boltzmann equation's material derivative, we now introduce a feasible three-dimensional semi-Lagrangian lattice Boltzmann method (SLLBM), which elegantly circumvents this restriction. Previous lattice Boltzmann methods for compressible flows were mostly restricted to two dimensions due to the enormous number of discrete velocities needed in three dimensions. In contrast, this Rapid Communication demonstrates how cubature rules enhance the SLLBM to yield a three-dimensional velocity set with only 45 discrete velocities. Based on simulations of a compressible Taylor-Green vortex we show that the new method accurately captures shocks or shocklets as well as turbulence in 3D without utilizing additional filtering or stabilizing techniques, even when the time step sizes are up to two orders of magnitude larger compared to simulations in the literature. Our new method therefore enables researchers for the first time to study compressible turbulent flows by a fully explicit scheme, whose range of admissible time step sizes is only dictated by physics, while being decoupled from the spatial discretization.
Bionik
(2020)
Wie machen die das... kann angesichts der erstaunlichen Fähigkeiten mancher Lebewesen gefragt werden. Die Bionik fragt noch weiter …und wie kann man das nachmachen? Hier liegt ein Schwerpunkt dieses Lehrbuches, das die Bionik nicht nur an zahlreichen Beispielen erklärt, sondern auch eine Vorgehensweise für die Identifizierung biologischer Lösungen und deren Übertragung auf technische Anwendungen vermittelt. Basisinformationen der Biologie und Grundlagen der Konstruktionstechnik gewährleisten einen leichten Zugang zum Stoff. Mit dem 3D-Druck als Schlüsseltechnologie und der Thematisierung der Nachhaltigkeit geht das Buch zudem auf aktuelle Entwicklungen ein. Dieser ganzheitliche Blick auf die Bionik soll den Leser zur Durchführung bionischer Projekte befähigen und motivieren. (Verlagsangaben)