Die im Rahmen des beantragten Schwerpunktprogramms - SPP 2231 FluSimPro - zu untersuchenden wissenschaftlichen Fragestellungen fokus­sieren auf das detaillierte Verständnis des Verhaltens und der daraus folgenden Wirkungen von Kühlschmierstoff (KSS) in einem laufenden Produktionsprozess, bei denen die eingesetzten Fluide explizit Kühlen, Schmieren und gekoppelte Transportfunktionen übernehmen. Nur mit diesem Verständnis lässt sich der überaus energie- und ressourcenintensive Einsatz von KSS zielgerichtet steuern und effizient gestalten. Darüber hinaus ist die sichere und wirtschaftliche Bearbeitung anspruchsvoller Materialien nur mit einem optimierten KSS-Einsatz zu realisieren, was wiederum grundlegende Erkenntnisse bzgl. der Wechselwirkungen im Prozess erfordert.

Da dieses Verständnis auf den relevanten Längen- und Zeitskalen allein mithilfe experimenteller und messtechnischer Methoden nur unzureichend erlangt werden kann, sollen neue Methoden der Strömungssimulation in enger Kooperation zwischen der Produktionstechnik und der Strömungsmechanik, der Numerik, der Mechanik sowie verwandter Disziplinen entwickelt oder bestehende Methoden so qualifiziert werden, dass sie prognosefähige und effiziente Werkzeuge liefern, die dazu dienen, das KSS-Verhalten und seine Wirkung berechnen zu können. Im Verbund mit Simulationswerkzeugen, die bereits heute eine Abbildung der thermomechanischen Vorgänge in Produktionsprozessen zu einem gewissen Grad erlauben, lässt sich so die zurzeit noch fehlende wesentliche Lücke zur vollständigen Prozessmodellierung schließen. Diese Kopplung stellt allerdings eine große Herausforderung für die Strömungssimulation dar. Hier sind Ansätze zu entwickeln, bzw. zu erweitern, die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen, Multiphysics und Mehrphasenströmun­gen berücksichtigen.

Die zugehörigen Strömungsprozesse sind aus Sicht der zugrundeliegenden Simulationsmethoden und deren Implementierung als überaus schwierig einzustufen, da eine Vielzahl der numerischen und algorithmischen Techniken nicht ohne Weiteres in bestehende in-house oder kommerzielle Softwarepakete integriert werden kann. Insbesondere die Rechengebiete für die Strömungssimulationen, die eine Kombination aus engen Spalten und dem Komplement des Produktionswerkzeugs darstellen, das zudem mit sehr hoher Geschwindigkeit rotiert bzw. seine Position verändert, erfordern neue Methoden der Gebietsbeschreibung und Gittergenerierung, vor allem wenn zusätzlich der Transport von Feststoffpartikeln beliebiger Geometrie (z. B. Späne) in der Fluidströmung berücksichtigt wird. Darüber hinaus müssen sowohl nicht-isotherme Effekte durch die Einfuhr von (nicht-newtonschen) Kühlschmier­stoffen als auch Aspekte der Teilfüllung im Zuge einer Mehrphasenfluidik mit Emulsionen, festen Partikeln und Gaseinschlüssen beachtet werden. Auch reaktive Komponenten und anisotrope, turbulente Mischzonen sind von Bedeutung.

Dies ist u. a. durch aktuelle Entwicklungen in der physikalischen Modellbildung, der numerischen Strömungslöser auf der Basis von Finite Volumen, Finite Elemente und Lattice-Boltzmann-Methoden (LBM) sowie durch neuere, gitterfreie Simulationsansätze wie z. B. der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Methode begründet. Neben den etablierten Verfahren hat sich diese Methode erst in den letzten Jahren zu einer vollwertigen Rechenmethode zur Lösung großer praktisch relevanter Fragestellungen der Strömungsmechanik entwickelt. Während bereits einige dafür relevante Themen bearbeitet und gelöst wurden, gibt es noch viele theoretische und praktische Herausfor­derungen, für die in den nächsten Jahren noch erheblicher Forschungsbedarf besteht. Die physikalisch korrekte Simulation von Systemen mit freien Oberflächen, wechselnden Topologien und mehrphasigen Stoffen ist ein lohnendes und für das beantragte SPP sehr relevantes Forschungsziel.