Von der Programmierung zur Simulation Rechentechnik ein wichtiges Arbeitsmittel des Ingenieurs

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Sophia Roth
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1 Festkolloquium Prof. Dr. Georg Paul 60 Jahre Universität Magdeburg, 21. Dezember 2004 Hörsaal 307, Gebäude 29 Von der Programmierung zur Simulation Rechentechnik ein wichtiges Arbeitsmittel des Ingenieurs Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Rüdiger Sontag, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 1. Ein Blick 35 Jahre zurück (ohne Zorn) 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell 3. Aus dem PAP wird ein FORTRAN-Programm-System 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? 5. Beispiel einer dynamischen Simulation 6. Ingenieuranwendungen + Informatik = Ingenieurinformatik?

-Doz. Dr.-Ing. habil. Rüdiger Sontag, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 1. Ein Blick 35 Jahre zurück (ohne Zorn) 2.

2 Arbeitsweise des Ingenieurs 1. Er hat ein Problem 2. Er sucht die Lösung 3. Er findet die Lösung (Ingenieur = Erfinder!) 4. Er will sie realisieren, muss rechnen und hat 5. wieder ein PROBLEM!

3 1. Ein Blick 35 Jahre zurück (ohne Zorn) Ingenieuranwendung + Informatik = Ingenieurinformatik? Die Frage stand vor 35 Jahren noch gar nicht. Wir Ingenieure sprachen noch nicht von Informatik, sondern von EDV (bzw. von EDVA) [Elektronische Daten-Verarbeitung (-s-anlagen)] EDV war vor allem ein Hardware-Problem : - an der Sektion Rechentechnik und Datenverarbeitung (später URZ) gab es einige Großrechner, die uns große Probleme, insbesondere bei der Dateneingabe und ausgabe (E/A), bereitet haben - d.h. hoher Zeitaufwand für Vor- und Nachbereitung von Rechnungen - sehr lange Warte- und Rechenzeiten - Personal-Computer (PC) gab es noch nicht! Zunächst zu einem kritischen Hardware-Problem : E/A-Operationen sahen an den damaligen Großrechnern so aus:

von EDVA) [Elektronische Daten-Verarbeitung (-s-anlagen)] EDV war vor allem ein Hardware-Problem : - an der Sektion Rechentechnik und Datenverarbeitung (später URZ) gab es einige

4 Lochstreifen für die Minsk 22 Erzeugt mit z.b. mit Fernschreibern Kontrolliert mit Druckprotokoll Korrigiert mit diesem Handlocher

5 Lochkarten-Stapel für Rechner EC1040 Druckfahnen (-Packete!!) vom Zeilendrucker Und oft lief der JOB wegen einer zerrissenen Karte NICHT!!!

6 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell Unser damaliges Ingenieur-Problem : Berechnungen zur Optimierung der Wärmeübertragung in Röhrenöfen Globale Berechnung Objekt Unbefriedigend!

7 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell Ziel: Detaillierte Berechnung der Wärmeübertragung im Ofen mit Hilfe der Zonenmethode Berechnungsgrundlage: Energiebilanz des Ofenraumes Energiebilanzschema für die Gaszone j: dv Für das Gaszonen-Volumen V j berechnet:

Zonenmethode Berechnungsgrundlage: Energiebilanz des Ofenraumes

8 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell 1. Ofenmodell: Experimental-Brennkammer Zonen-Modell Objekt Brenner

9 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell 2. Ofenmodell: EDC-Verdampfer-Röhrenofen Objekt Zonen-Modell

10 2. Vom Röhrenofen zum zonalen Rechen-Modell Methodik zur Lösung des zonalen Berechnungsproblems: Zonale Modellierung des Ofenraumes Formulierung des Energiebilanz-Gleichungssystems Algorithmierung des Lösungsweges Programm-Ablauf-Plan (PAP) Programmierung Simulationsrechnungen Visualisierung der Ergebnisse

Energiebilanz-Gleichungssystems Algorithmierung des Lösungsweges

11 3. Aus dem PAP wird ein FORTRAN-Programm

12 3. Aus dem PAP wird ein FORTRAN-Programm SEBK

13 Vor 35 Jahren: 4. Wie visualisiert man Ergebnisse?

14 Vor 30 Jahren: 4. Wie visualisiert man Ergebnisse?

15 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Vor 30 Jahren: Vergleich mit Messdaten

16 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Vor 10 Jahren: Zonale Berechnung Herdwagenofen

17 Zonenmodelle des Herdwagenofens Modell: x x Gaszonen 4 Brenner Abgas Wärmegut

18 Gas-Zonen- Temperaturen über Wärmegut im: Modell x x Gaszonen Mittlere Zonentemperaturen [K]

2000 1800 1800 1600 1600 1400 1400 1200 1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400

19 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? CFD-Berechnung Herdwagenofen

20 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? CFD-Berechnung Herdwagenofen (Schema)

21 Heute: 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Berechnete Gasgeschwindigkeit [m/s]

22 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Heute: Berechnete Gastemperatur [ K]

23 Heute: 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Gemessene Gastemperaturen im Herdwagenofen

24 Heute: 4. Wie visualisiert man Ergebnisse? Gemessene Gastemperaturen, CO- und NOx-Konzentrationen

25 5. Beispiel einer dynamischen Simulation

26 5. Beispiel einer dynamischen Simulation Windeschwindigkeit [m/s] Solarstrahlung [kwh/(m² d)] Umgebungstemperatur [ C] Mittlere Windgeschwindigkeit Tägliche spezifische Solareinstrahlung CUBA CUBA CUBA Mittlere Umgebungstemperatur Tage im Jahr BRD BRD BRD

27 30 5. Beispiel einer dynamischen Simulation Energieverbrauch [MWh/d] Wärme Klimakälte Strom Endenergiebedarf eines dezentralen Wohnkomplexes in CUBA Energieverbrauch [MWh/d] Tage im Jahr Endenergiebedarf eines dezentralen Wohnkomplexes in der BRD Wärme Klimakälte Strom Tage im Jahr

30 Energieerträge [MWh / Monat] Photovoltaik Windkraft Solarwärme Monatliche regenerative Energieerträge in CUBA 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Energieerträge [MWh / Monat] Photovoltaik Windkraft Solarwärme Monatliche regenerative Energieerträge in der BRD 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

31 Wärme- bzw. Kältegeführte Betriebsweise Stromgeführte Betriebsweise Nutzungsgrad fossile Energieträger [%] Windkraft [kw] 459 CUBA BRD Photovoltaik [kwp] Nutzungsgrad fossile Energieträger [%] Windkraft [kw] CUBA BRD Photovoltaik [kwp]

32 Wärme- bzw. Kältegeführte Betriebsweise Stromgeführte Betriebsweise Spezifischer Strompreis [ -Cent/kWh] Windkraft [kw] BRD CUBA Photovoltaik [kwp] Spezifischer Strompreis [ -Cent/kW h] Windkraft [kw] BRD 51 CUBA Photovoltaik [kwp]

33 6. Ingenieuranwendungen + Informatik = Ingenieurinformatik? Die Antwort auf diese Frage hängt vom Status des Befragten ab: 1. Student 2. Lehrender 3. Ingenieur in der Praxis 1. Antwort des Studenten im Ingenieurstudium könnte lauten: Ja! - Zuerst muss ich die Ingenieuranwendungen studieren, dann brauche ich noch eine Ingenieurinformatik-Ausbildung. 2. Antwort des Lehrenden: Ja, aber: Ich muss für jede Ingenieurfachrichtung gesonderte, spezifische Lehrveranstaltungen mit den fachtypischen Informatik-Inhalten bzw. Methoden anbieten.

34 6. Ingenieuranwendungen + Informatik = Ingenieurinformatik? 3. Antwort des praktisch tätigen Ingenieurs: Ja und Nein! Einerseits war es gut, dass ich im Studium das Fach Ingenieurinformatik belegt habe. Es hat mir grundlegende Kenntnisse zur Anwendung von Informatik-Methoden in meinem Fachgebiet vermittelt. Ich wurde team-fähig mit Informatik-Kollegen. Andererseits wurde ich dadurch kein Ingenieurinformatiker! Ich muss selbständig weiter nach den neuesten Hard- und Software- Entwicklungen zur Lösung meiner fachspezifischen Aufgaben suchen. Für meinen Kollegen Informatiker gilt das analog. Oder anders gesagt: Alles entwickelt sich weiter!

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