Detailed simulations of turbulent flows using the Lattice-Boltzmann method
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben hatte als Hauptziel die Erweiterung von Strömungslösern auf der Basis von Lattice-Boltzmann-Verfahren (LBM), so dass komplexe, turbulente Strömungen in komplexen Geometrien und auf sehr großen Rechengittern untersucht werden können. Insbesondere stellten sich folgende Teilaufgaben: • Erweiterung eines im Hause vorhandenden LBM-basierten Lösers, der nur für direkte numerische Simulationen (DNS) verifiziert und optimiert war, zu einem LES-Löser, einschließlich der Auswahl und Implementierung geeigneter SGS-Modelle. • Erarbeitung LBM-spezifischer Modellansätze zur Behandlung der auftretenden Randbedingungen unterschiedlicher Art. • Verifizierung des neuen Rechenprogramms und der eingebauten Modelle. Die technische Umsetzung dieser Aufgaben sah eine Reihe von neuartigen oder für den Bereich der LBM-Simulationen noch unerprobten Maßnahmen vor, wie z.B. die Zerlegung des Rechengebiets in teilweise überlappende orthogonale Gitterblöcke mit im allgemeinen unterschiedlicher Auflösung, die Erprobung einer neuen, LBM-spezifischen Diskretisierung von RANS Modellen, die Verifizierung durch einen Vergleich der Ergebnisse mit und ohne Turbulenzmodell von Simulationen unterschiedlicher turbulenter Strömungen, usw. Es war einerseits notwendig, vielseitige Entwicklungsarbeiten durchzuführen und nur einen kleinen Teil der entstandenen Programmvarianten, die für die für die Praxis am besten geeignet sind, zu behalten; andererseits aber auch, aufwändige DNS und LES Reihen für so viele unterschiedliche Typen von turbulenten Strömungen wie möglich durchzuführen. Alle genannten Aufgaben und Arbeitspakete wurden im vollen Umfang durchgeführt. Dabei sind einerseits mehrere LBM-Simulationsprogramme entstanden, die für unterschiedliche Anwendungen optimiert und verifiziert wurden und entscheidende Neurungen und Vorteile bieten. Eine besonders wertvolles Beispiel dafür, neben den ursprünglich vorgesehenen LES/DNS Löser, ist die Entwicklung einer gesamten interaktiven Arbeitsumgebung zur Simulation von komplexen zeitabhängigen Blutströmungen in detaillierten Modellen realer Blutgefäßbäume einzelner Patienten. Andererseits haben die umfangreichen Simulationen auch einen umfangreichen Fundus an Simulationsergebnissen geliefert, die nicht nur zur Verifikation der Modelle und des LBM-Verfahrens einschließlich der gewählten spezifischen Randbedingungen (gegenüber bekannten oder aus eigens für den Vergleich, mit alternativen Simulationsverfahren neu durchgeführten Berechnungen hergeleiteten Daten) gedient haben, sondern auch neue Erkenntnisse über die jeweiligen Strömungen geliefert haben.
