HiFlow³ – Software-Modulentwicklung für Finite-Elemente-Simulation

22.09.2021

HiFlow³ ist eine numerische Software-Bibliothek, welche leistungsstarke Werkzeuge für die effiziente und akkurate Lösung von partiellen Differentialgleichungen (PDEs) bereitstellt. Unter Ausnutzung der objektorientierten Konzepte von C++ verfolgt das HiFlow³-Projekt einen modularen und generischen Ansatz für den Aufbau effizienter paralleler Löser für numerische Probleme. HiFlow³ bietet:

  • C++ Finite-Elemente-Paket
  • Open-Source-Lizenz
  • Große Auswahl an linearen Lösern
  • Werkzeuge für die Quantifizierung von Unsicherheiten (UQ)
  • Hardware-gestützte Numerik (MPI, OpenMP, GPU)
  • Skalierbarkeit und Hochleistungsrechnen: vom Laptop bis zu Clustern
  • Schnittstelle zu verschiedenen externen Bibliotheken (Intel MKL, Hypre, HDF5, Metis, p4est, …)
  • Vielfältige Beispielanwendungen aus der Strömungsmechanik, Strukturmechanik und Elektrostatik

HiFlow³ basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der die Bereiche mathematische Modellierung, numerische Simulation, Optimierung, hardwarenahe Numerik und Hochleistungsrechnen für die Lösung komplexer Probleme umfasst. Dazu zählen etwa die Wechselwirkung tropischer Wirbelstürme, den Blutfluss in der Aorta oder die Ausbreitung von Waldbränden und vieles mehr.

Typische Anwendungen stammen aus der Medizintechnik, Meteorologie und Klimaforschung. Die Gemeinsamkeiten all dieser Probleme sind eine sehr hohe Komplexität der untersuchten Systeme, mathematische Modelle mit starken multiphysikalischen Kopplungen sowie hohe Anforderungen an die Computerressourcen wie Speicher und CPU-Geschwindigkeit. Aufgrund der großen Vielfalt an Modellen, Anforderungen und Zwecke der Problemstellungen müssen in der Regel verschiedene Softwareaspekte in den Simulations- und Optimierungszyklen berücksichtigt werden. HiFlow³ zielt darauf ab, eine effiziente und flexible Plattform zur Bewältigung dieser Herausforderungen anzubieten.

HiFlow³ wird in der Data Mining and Uncertainty Quantification (DMQ) Gruppe am HITS und dem Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL) am IWR der Universität Heidelberg entwickelt. Der Code ist auf GitLab zu finden: https://emcl-gitlab.iwr.uni-heidelberg.de/hiflow3.org/hiflow3/-/wikis/home 

Weitere Quellen:

HiFlow3 – Technical Report on Release 2.0: https://doi.org/10.11588/emclpp.2017.06.42879 

Veröffentlichung: Dielectrophoretic force-driven convection in annular geometry under Earth’s gravity: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.04.068

Veröffentlichung: Uncertainty assessment of the blood damage in a FDA blood pump: https://doi.org/10.7712/120219.6366.18426

Über das HITS

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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