Workshop zur Analyse von Mehrfeldproblemen mittels 4C & QUEENS

Unsere Kollegen Dr.-Ing. Matthias Mayr und Dr.-Ing. Sebastian Brandstäter haben einen zweitägigen Workshop zu 4C Multiphysics & QUEENS organisiert und gehalten, um Forschenden aus dem Bereich des Computational Science and Engineering diese Open-Source-Frameworks vorzustellen. Der Workshop bot allen Teilnehmenden die Möglichkeit, praktische Erfahrungen sowohl mit den einzelnen Werkzeugen als auch mit deren kombinierter Anwendung zu sammeln, um über klassische, deterministische Mehrfeldsimulationen hinauszugehen.

Gemeinsam mit Kooperationspartnern der Technischen Universität München und des Helmholtz-Zentrums Hereon wurde der Workshop als zweitägige Veranstaltung organisiert: Am ersten Tag stand das 4C-Multiphysik-Simulationsframework im Mittelpunkt, am zweiten Tag wurde das solverunabhängige Multi-Query-Analysewerkzeug QUEENS sowie dessen Zusammenspiel mit 4C vorgestellt.

Falls Sie den Workshop verpasst haben, können Sie die Materialien auch jetzt noch eigenständig durcharbeiten. Materialien und Anleitungen sind in diesem GitHub-Repository verfügbar.

Die Veranstaltung

Der Workshop war eingebettet in die 2025 UKACM GACM Autumn School zum Thema "Open-Source Codes for High-Performance Computing" mit einem besonderen Fokus auf "Enabling Technologies for Computational Engineering and Open-Source Research Software". Die Autumn School wurde von Prof. Jelena Ninic, Dr. Hoang-Giang Bui und Dr. Hassan Liravi (University of Birmingham) sowie Prof. Alexander Popp und Dr.-Ing. Matthias Mayr (Universität der Bundeswehr München) unter der Schirmherrschaft der UK Association for Computational Mechanics (UKACM) und der German Association for Computational Mechanics (GACM) organisiert. Behandelt wurden sowohl theoretische als auch praktische Aspekte von Open-Source-Initiativen, darunter Nektar++ (betreut von Forschenden des Imperial College London, der Newcastle University und des King’s College London), 4C & QUEENS (entwickelt an der Universität der Bundeswehr München, der Technischen Universität München und dem Helmholtz-Zentrum Hereon) sowie OpenFOAM (betreut von Forschenden der Aston University und der University of Birmingham).

Die Software-Frameworks

• 4C (Website: https://4c-multiphysics.org, GitHub: https://github.com/4C-multiphysics/4C) ist ein paralleler Multiphysik-Forschungscode zur Analyse und Lösung einer Vielzahl physikalischer Probleme, die durch gewöhnliche oder partielle Differentialgleichungen beschrieben werden. Die Entwicklung wird von herausfordernden Forschungsfragen und realweltlichen Problemstellungen vorangetrieben, für die bestehende Werkzeuge entweder nicht ausreichen oder in Genauigkeit bzw. Leistungsfähigkeit nicht genügen. 4C bietet einsatzbereite Simulationsmöglichkeiten für eine Vielzahl physikalischer Modelle – von Einfeldsystemen wie Festkörpern, Fluiden und Transportphänomenen bis hin zu gekoppelten Multiphysiksystemen. Durch seine modulare Architektur unterstützt 4C auch die Forschung in mathematischer Modellierung und die Entwicklung neuer numerischer Methoden.
• QUEENS (Website: https://queens-py.org, GitHub: https://github.com/queens-py/queens) ist ein Python-Framework für solverunabhängige Multi-Query-Analysen großskaliger Rechenmodelle. Es verfolgt zwei Hauptziele: Erstens stellt es eine breite Palette von Analysetechniken bereit – von Parameterstudien bis hin zu Bayes’schen inversen Problemen – mit besonderem Schwerpunkt auf probabilistischen Methoden. Zweitens gewährleistet es ein robustes Management von Multi-Query-Szenarien in Hochleistungsrechenumgebungen, einschließlich Simulationsplanung, Fehlerbehandlung und Kommunikationsmanagement, und zwar unabhängig vom verwendeten Solver. Die Anwendung moderner probabilistischer Methoden auf fortgeschrittene physikalisch-basierte Modelle wird durch eine hochgradige Python-Abstraktion ermöglicht, wodurch umfassende Analysen komplexer Systeme in HPC-Workflows unterstützt werden.
• Das 4C- & QUEENS-Ökosystem: Physikalische und probabilistische Modellierung sind unterschiedliche, aber komplementäre Domänen, die jeweils spezielles Fachwissen erfordern. Die Frameworks 4C und QUEENS bieten ein interoperables Ökosystem, das diese Domänen verbindet: 4C ermöglicht hochpräzise physikalische Modellierung von Einfeld- und Multiphysiksystemen, während QUEENS Simulationsanalysen und probabilistische Modellierung unterstützt. Ihre gemeinsame Entwicklung und Interoperabilität erlauben es Forschenden, Modelle in ihren jeweiligen Bereichen unabhängig weiterzuentwickeln und zugleich die nahtlose Kombination von Multiphysik-Simulationen mit probabilistischen Analysetechniken zu nutzen. Das Tutorial demonstrierte, wie Forschende der Computational Mechanics diese Interoperabilität einsetzen können, um Vorhersagefähigkeiten zu erweitern und wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn zu beschleunigen. Themen reichten von Simulationsanalytik bis hin zu Bayes’scher Unsicherheitsquantifizierung, illustriert anhand praktischer Beispiele mit 4C-Multiphysikmodellen unterschiedlicher Komplexität, um eine solide Grundlage für zukünftige innovative Forschung zu schaffen.

Ein herzliches Dankeschön gilt auch unseren Doktorand:innen Regina Bühler und Bishr Maradni für ihre tatkräftige Unterstützung vor und während des Workshops!