DuMux

Haben Sie schon mal auf einer Brücke über einem Fluss gestanden und sich gefragt wie viele Badewannen voll Wasser unter Ihnen durchströmen, wie tief der Fluss ist oder wie schnell das Wasser strömt? An der BAW zählen wir zwar keine „Badewannen“, aber wir benötigen für viele unserer Aufgaben Informationen zu Wassertiefen und Strömungsgeschwindigkeiten, z. B. wenn es um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Schifffahrt geht. Diese Informationen lassen sich oft nur mit Hilfe von Computersimulationen berechnen, dazu verwenden wir verschiedene Simulationssoftware und seit neuestem auch DuMu^x.

Woher kommt eigentlich DuMu^x und wie kommt es an die BAW?

Bei DuMu^x (www.dumux.org) handelt es sich um eine Open-Source-Software, die hauptsächlich an der Universität Stuttgart entwickelt wird. Vor ein paar Jahren haben mich die „Stuttgarter“ eher zufällig gefragt, ob wir „BAWler“ uns vorstellen könnten, DuMu^x an der BAW zur Simulation der Strömung in unseren Flüssen zu verwenden. Zu diesem Zeitpunkt hatte ich gerade in einem Forschungsprojekt ein neuartiges numerisches Verfahren zur Lösung der tiefengemittelten zweidimensionalen Flachwassergleichungen entwickelt und so bot sich mit DuMu^x die perfekte Gelegenheit, dieses Verfahren in eine bestehende Simulationssoftware zu integrieren.

Ein großer Vorteil von DuMu^x ist, dass es extrem schnell ist und sich dadurch künftig deutlich größere Gebiete und längere Zeiträume simulieren lassen. Für die oben abgebildete, rund 11 Kilometer lange Rhein-Strecke bei Düsseldorf schafft es DuMu^x, ein ganzes Jahr in weniger als 60 Minuten auf den Hochleistungsrechnern der BAW zu simulieren. Damit ist DuMu^x deutlich schneller als die bisher an der BAW für diese Fragestellungen eingesetzte Simulationssoftware.

Aktuell arbeitet mein Kollege Martin Utz an einer Erweiterung für den Sedimenttransport. Ziel ist es, in der Zukunft neben der Strömung auch die langfristige Sohlentwicklung mit DuMu^x simulieren können. Da sich das Sediment an der Flusssohle nur sehr langsam bewegt, müssen hier besonders lange Zeiträume simuliert werden. Deswegen ist es essenziell, eine schnelle Simulationssoftware zu haben.

Was macht eine Open-Source-Software wie DuMu^x so attraktiv?

Die flussbaulichen Fragestellungen, die die BAW bearbeitet, sind enorm anspruchsvoll, nicht selten muss die Software entsprechend der Aufgabenstellung erweitert und angepasst werden. Eine fertige Software von der Stange ist für uns an der BAW deshalb keine Option.

Das Besondere an einer Open-Source-Software wie DuMu^x ist die große Entwicklergemeinschaft. Bei der Zusammenarbeit wird neben dem Quellcode automatisch auch Wissen und Knowhow miteinander geteilt. Und wie so oft gilt auch bei der Open-Source-Softwareentwicklung: Gemeinsam erreicht man deutlich mehr als alleine! DuMu^x selbst basiert auf der Open-Source-Toolbox DUNE (www.dune-project.org). DUNE bietet mit seinen zahlreichen Numerik-Modulen und darauf basierenden Softwareprojekten einen perfekten Unterbau für eine leistungsfähige Simulationssoftware wie DuMu^x.

Wie verwendet man eine Open-Source-Software wie DuMu^x im Alltag?

Um DuMu^x im Projektalltag möglichst einfach einsetzen können, wurde an der BAW die Anwendung dumux-shallowwater entwickelt. In Kombination mit einem Bausteinprinzip, bei dem sich Simulationen immer aus geometrischen Varianten und frei kombinierbaren Abflussszenarien zusammensetzen, kann der Simulationsablauf deutlich besser strukturiert und gleichzeitig automatisiert werden.

Mein Kollege Tilman Steinweg geht in seinem Forschungsprojekt sogar noch einen Schritt weiter. Mit der von ihm entwickelten zentralen Anwendung Aquarius können an der BAW zukünftig im Webbrowser nicht nur die Simulationsdaten zu Varianten und Szenarien verwaltet und organisiert werden, auch die Simulationen lassen sich bequem über die Weboberfläche auf den Hochleistungsrechnern der BAW starten.