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Multi-scale Lattice Boltzmann simulations on distributed octrees = Multi-Skalen Gitter-Boltzmann-Simulationen auf verteilten Bäumen
2014
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013
Zsfassung in dt. und engl. Sprache
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-22
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49260
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229088/files/4926.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gitter-Boltzmann-Methode (Genormte SW) ; Strömungsakustik (Genormte SW) ; Numerische Mathematik (Genormte SW) ; Hochleistungsrechnen (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Numerik (frei) ; Gitter-Boltzmann-Verfahren (frei) ; poröse Medien (frei) ; paralleles Rechnen (frei) ; Lattice Boltzmann Method (frei) ; aeroacoustics (frei) ; porous media (frei) ; parallel computing (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 47.56.+r
Kurzfassung
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.This thesis deals with the prediction of aerodynamic noise resulting from the flow through porous media. A porous flat plate silencer of a pneumatic valve terminal serves as a model test case. In an experimental setup, the porous plate was put in the outflow of an air supply pipe and the aerodynamic noise was recorded at five positions on a cylindrical hull surface around the outflow. This thesis aims at correctly reprodudcing sound pressure levels by performing a fully resolved simulation of the flow through the porous pores and a direct computation of the sound generation. This task is approached with the Lattice Boltzmann Method (LBM), which is based on a simplified, statistical model of particle movement allowing the simulation of fluids in a weakly compressible regime. An essential part of this work is the development of the highly parallel, octree-based flow solver Musubi. Musubi is part of the APES-simulation suite, providing tools based on the central octree structure for solving complex fluid problems and allowing the flexible and efficient usage with extremely large data sets. Details and data structures of the flow solver are presented. On modern computing platforms, an efficient solution of large problems can be achieved only through an increased amount of parallelism and heterogeneity in the machines. Software has to adapt to this development and must be specially tailored to make use of the theoretically available computing capacity. This steady increase in complexity also affects programming, by which maintenance, extension and porting of scientific software becomes increasingly difficult. Therefore new programming paradigms are created enabling the compilers in theory to automatically perform large amounts of optimization for these complex machines. The parallel extension of Fortran is such a new model and is evaluated for suitability in the context of the LBM in this thesis. The solver Musubi is then validated by means of suitable test cases for all flow regimes. The latter include the turbulent flow through porous media, the aeroacoustic sound generation as well as a validation of the local grid refinement which is needed to model such a multi-scale problem. Finally, the insights gained are applied to solve the actual problem of the flow through the porous flat plate silencer.
Fulltext: 
PDF
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Interne Identnummern
RWTH-CONV-144063
Datensatz-ID: 229088
Beteiligte Länder
Germany
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