Ein objektorientiertes LBM-Framework für massiv-parallele Simulationen schwach kompressibler Fluide

Kutscher, Konstantin

doi:10.24355/dbbs.084-202009280805-0

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Ein objektorientiertes LBM-Framework für massiv-parallele Simulationen schwach kompressibler Fluide

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Der primäre wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung des Software-Frameworks VirtualFluids für massiv-parallele Simulationen schwach kompressibler Fluide mittels der Lattice-Boltzmann-Methode. Das Framework basiert auf den Qualitätsmerkmalen für nachhaltige Software, die in der Norm ISO 9126 beschrieben werden. Um die entsprechende Qualität der Software zu gewährleisten, wurden die Techniken der objektorientierten Programmierung und darauf basierende Entwurfsmuster verwendet.

Mit Hilfe von VirtualFluids wurde im Rahmen des Teilprojekts A5 des Sonderforschungsbereichs SFB 880 (Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge) eine Reihe von hochpräzisen Simulationen mit komplexer Geometrie durchgeführt. Die Simulationen wurden für die Untersuchung der Verwendung poröser Materialien zur Reduzierung des Lärms, der an Tragflächen-Hinterkanten beim Start und bei der Landung eines Flugzeugs entsteht, eingesetzt. Die in VirtualFluids verwendete höchst effiziente Parallelisierung hat porenskalige Direkte Numerische Simulationen (DNS) und Large Eddy Simulationen (LES) von turbulenten Strömungen innerhalb und über porösen Medien mit mehr als 72 Milliarden Freiheitsgraden ermöglicht. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und anderen DNS. Zuerst wurden die Eigenschaften von porösen Materialien, wie Permeabilität und Forchheimer-Koeffizient, bestimmt, die dann als notwendige Terme für entsprechende RANS-Modelle beim Projektpartner verwendet werden konnten. Bei der porenaufgelösten Kanalsimulation wurde eine kleine Rezirkulation in den obersten Poren identifiziert, die bei aktuellen volumengemittelten RANS-Modellen nicht erfasst werden kann. Zusätzlich wurden für die Projektpartner die turbulenten Fluktuationen der Geschwindigkeitsfelder ermittelt, welche in die dortigen statistischen Modelle als Kalibrierung einfließen konnten. Die Ergebnisse der Simulationen von dem DLR-F16 Profil für massive und poröse Hinterkanten bestätigen die Eignung von VirtualFluids für industrierelevante Anwendungen. Die Direkte Numerische Simulationen für Aeroakustik zeigen das Potential der Lattice-Boltzmann-Methode für dieses Einsatzgebiet.

The primary scientific contribution of this work is the development of the software framework VirtualFluids for massively parallel simulations of weakly-compressible fluids using the lattice Boltzmann method. The framework is based on the quality features for sustainable software described in the ISO 9126 standard. To ensure the appropriate software quality, the techniques of object-oriented programming and design patterns were used.

Due to VirtualFluids, a series of high-precision simulations for a complex geometry was carried out as part of the sub-project A5 of the Collaborative Research Center CRC 880 (Fundamentals of High Lift for Future Civil Aircraft). The simulations were used to investigate applications of porous materials to reduce noise generated at the wing trailing edges during the takeoff and landing of an aircraft. The highly efficient parallelization used in VirtualFluids has enabled pore-scale direct numerical simulations (DNS) and large-eddy simulations (LES) of turbulent flows within and across porous media with more than 72 billion degrees of freedom. The simulations have shown good agreement with the experiments and other DNS. First, the properties of porous materials, such as permeability and Forchheimer coefficient, were determined, which could then be used as necessary terms in RANS models by the project partner. The pore-resolved channel simulation identified a small recirculation in the uppermost pores that can not be detected in current volume-averaged RANS models. Besides, the turbulent fluctuations of the velocity fields were determined for the project partners, which could be incorporated into the statistical models as a calibration. The simulation results of the DLR-F16 profile for solid and porous trailing edges confirm the suitability of VirtualFluids for industry-relevant applications. The direct numerical simulations for aeroacoustics show the potential of the lattice Boltzmann method for this application.