Ein massiv paralleles, dynamisch adaptives Lattice-Boltzmann Verfahren für Fluid-Struktur-Kopplung

Abstract

Die Lattice-Boltzmann Methode (LBM) hat sich in den letzten Jahren als ernstzunehmender Verfahrensansatz zur numerischen Simulation schwach kompressibler und inkompressibler Strömungen etabliert. Insbesondere für (Very) Large-Eddy Simulation oder Fluid-Struktur-Kopplung mit großer Bewegung, die die Berechnung einer hohen Anzahl von Zeit-schritten erfordern, bietet der inhärent explizite LBM-Ansatz außerordentliche Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren für die Navier-Stokes Gleichungen, die in diesem Geschwindigkeits-bereich stets implizit sind und die Lösung linearer Gleichungssysteme erfordern. Zur effektiven Simulation von Strömungen in und um realistische Geometrien ist es jedoch unabdingbar, das ursprünglich auf äquidistanten kartesischen Gittern konstruierte Verfahren auf nicht uniforme Gittern zu erweitern und Randbedingungen entsprechend eingebetteter komplexer Geometrie zu realisieren. Wir greifen bei unserer Implementierung wesentlich auf vorhandene Klassen unseres Strömungslösersystems AMROC (Adaptive Mesh Refinement in Object-oriented C++) zurück, das dynamisch adaptive blockbasierte Verfeinerung von Finite-Volumengittern auf Parallelrechnern generisch bereitstellt und die Berücksichtigung bewegter, eingebetteter Fest-körpergeometrien auf effektive Art mittels Level-Set-Methoden ermöglicht. Die Präsentation wird die Designprinzipien von AMROC skizzieren und parallele Effizienz und Skalierbarkeit unserer dynamisch adaptiven LBM Implementierung für mehrere hundert Cores analysieren, insbesondere auch im Vergleich zu Shock-Capturing-Verfahren der Hochgeschwindigkeitsgasdynamik, für die das Softwaresystem ursprünglich entwickelt wurde. Neben typischen Benchmarks werden außenaerodynamikströmungsprobleme um realistische Fahrzeuge und die Wechselwirkung turbulenter Wirbelschleppen hinter Windkraftanlagen, modelliert mit bewegter Rotorgeometrie, diskutiert werden.