Direkte Numerische Simulation und Large-Eddy Simulation turbulenter Strömungen auf Hochleistungsrechnern

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind moderne Techniken zur Simulation praxisrelevanter, turbulenter Strömungen auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern. Den Ausgangspunkt bildet die Direkte Numerische Simulation (DNS), für welche die Grundgleichungen und die notwendigen Anfangs- und Randbedingungen erläutert werden. Ein kurzer historischer Rückblick bezüglich erfolgreicher DNS-Anwendungen rundet die Vorstellung dieser Technik ab. Es folgt eine ausführliche Beschreibung des Prinzips und der Grundlagen der Large-Eddy Simulation (LES). Dazu gehört eine Übersicht über den Stand der Entwicklungen bezüglich der Modellierung der turbulenten Feinstruktur und geeigneter Randbedingungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Modellierungsansätzen und Simulationstechniken, die sich für die Simulation praxisrelevanter Problemstellungen eignen. Ferner wird auf einige Meilensteine erfolgreicher LES­ Anwendungen eingegangen. Es folgt ein Überblick über hybride Simulationsansätze, bei denen das LES-Konzept mit klassischen Berechnungsansätzen auf der Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen und statistischen Turbulenzmodellen gekoppelt wird. Derartige Verfahren versuchen, die Vorteile beider Methoden zu vereinen und könnten sich zumindest für eine bestimmte Klasse von Strömungen zu einer hinsichtlich der Rechenzeitkosten preisgünstigeren Alternative verglichen mit reinen LES-Berechnungen entwickeln.