Direct numerical simulation and large-eddy simulation of turbulent flows using high-performance computers

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Gegenstand der Arbeit sind moderne Techniken zur Simulation praxisrelevanter, turbulenter Strömungen unter Einsatz von Hoch- und Höchstleistungsrechnern. Dazu zählt einerseits die Direkte Numerische Simulation (DNS), welche die genaueste Methode zur Turbulenzsimulation darstellt. Andererseits gehört die Large-Eddy Simulation (LES) zu diesen erfolgversprechenden Ansätzen. Bei der LES-Technik werden nur die großskaligen, energiereichen Anteile des Turbulenzspektrums (turb. Grobstruktur) durch das numerische Verfahren aufgelöst, wobei der Einfluß der nicht aufgelösten turbulenten Feinstruktur auf die Grobstruktur durch ein entsprechendes Modell berücksichtigt wird. Die Arbeit gibt einen detaillierten Überblick über den Stand der Entwicklungen bezüglich aller Detailkomponenten des LES-Ansatzes. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Modellierungsansätzen und Simulationstechniken, die sich für die Simulation praxisrelevanter Problemstellungen eignen. Umfangreiche Analysen und kritische Evaluationen von Detailkomponenten (z.B. numerische Verfahren, Feinstruktur-Modelle und Randbedingungen) wurden in der vorliegenden Arbeit auf der Basis von drei Testfällen unterschiedlicher Komplexität (ebene Kanalströmung, Würfelumströmung und Kreiszylinderumströmung) durchgeführt. Anhand von drei verschiedenen Beispielen, die technisch relevante Aufgabenstellungen aus der Verfahrenstechnik (Rührwerksströmung), den Werkstoffwissenschaften (Schmelztiegelströmung) und der Luftfahrttechnik (Tragflügel in Hochauftriebskonfiguration) repräsentieren, wird abschließend das breite Anwendungsspektrum dieser Techniken und ihre Vorhersagekraft aufgezeigt. Die Arbeit ist veröffentlicht in:Breuer, M.: Direkte Numerische Simulation und Large-Eddy Simulation turbulenter Strömungen auf Hochleistungsrechnern, Habilitationsschrift, Universität Erlangen-Nürnberg. Berichte aus der Strömungstechnik, ISBN 3-8265-9958-6, Shaker Verlag, Aachen, (2002).