ISBN 9783843914291

978-3-8439-1429-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

Manuel Hasert
Multi-Scale Lattice Boltzmann Simulations on Distributed Octrees

206 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Vorhersage von Strömungsgeräuschen, die bei der Durchströmung poröser Medien entstehen. Als Testfall dient ein poröser Plattenschalldämpfer einer pneumatischen Ventilinsel.

In einem experimentellen Aufbau wurde die Platte durchströmt und die Strömungsgeräusche an verschiedenen Positionen aufgenommen. Die korrekte Wiedergabe des Geräuschpegels soll durch eine vollaufgelöste und direkte Berechnung des porösen Mediums und der Schallentstehung erreicht werden. Hierbei wird die Lattice Boltzmann Methode (LBM) verwendet, die auf vereinfachten, statistischen Teilchenbewegungen basiert und die die Simulation von Strömungen im schwach kompressiblen Grenzfall erlaubt.

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung des hochparallelen, auf einem verteilten Octree basierenden LBM Strömungslösers Musubi. Dieser ist Teil der APES-Simulationsumgebung, die Tools auf Basis einer zentralen Baumstruktur zur Verfügung stellt, um komplexe Strömungsprobleme mit extrem großen Datenmengen effizient zu handhaben. Details des Lösers und der zentralen Datenstrukturen werden vorgestellt. Eine effiziente Lösung großer Probleme ist auf modernen Rechnerarchitekturen nur durch erhöhte Parallelität und Heterogenität der Maschinen möglich. Die Software muss sich dieser Entwicklung anpassen und auf die Architekturen zugeschnitten sein, um die theoretisch vorhandene Rechenkapazität tatsächlich nutzen zu können. Diese stetige Zunahme der Komplexität wirkt sich auch auf die Programmierung

aus, wodurch die Wartung, Erweiterung und Portierung wissenschaftlicher Software zunehmend erschwert wird. Diesem Problem wird unter anderem durch neue Programmiermodelle begegnet. Von den Compilern erwartet man sich mit diesen Modellen eine weitestgehend automatisierte Optimierung. Die parallele Erweiterung der Programmiersprache Fortran gehört zu diesen Modellen und wird für eine Eignung im Kontext des LBM-Verfahrens evaluiert. Der Löser Musubi wird dann im Detail validiert anhand geeigneter Testfälle für die erforderlichen Strömungsbereiche. Diese umfassen die turbulente Durchströmung poröser Medien, die aeroakustische Schallerzeugung, sowie die Validierung der lokalen Verfeinerung, um das Multiskalen-Problem abbilden zu können. Abschließend werden die Erkenntnisse auf das eigentliche Problem des durchströmten, porösen Schalldämpfers angewendet.