Development of a parallel, adaptive, component based flow kernel for hierarchical grids based on the Lattice-Boltzmann method

In der Arbeit werden zwei verschiedene Softwarekonzepte für einen effizienten und flexiblen Strömungslöser auf der Basis des Lattice-Boltzmann-Verfahrens (LB) vorgestellt. Die numerischen Grundlagen des LB-Verfahrens, das in der hier vorgestellten FD-Diskretisierung auf hierarchischen, kartesischen Gittern Anwendung findet, werden im ersten Teil der Arbeit besprochen. Neben Einphasenmodellen wird ein neuer Ansatz für die Simulation nicht-mischbarer Zweiphasenströmungen präsentiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein allgemeingültiges, knotenbasiertes Softwarekonzept für einen 2-D- und 3-D-Löser vorgestellt. Mit der entwickelten quad- bzw. octreeartigen Datenstruktur sind zusätzlich zu a priori verfeinerten Gittern auch dynamisch adaptive Gitterstrukturen möglich. Neben der Beschreibung des Softwaredesigns, das u. a. mittels generalisierten, regelbasierten Parallelisierungsansatz auch verteilte Systeme unterstützt, werden zur Validierung des Lösers als auch des Verfahrens verschiedene Strömungsbeispiele präsentiert. Als zweites Softwarekonzept wird im dritten Teil ein hybrider Blockgitteransatz als Weiterentwicklung des knotenbasierten Ansatzes vorgestellt. Für einen effizienten numerischen Datenaustausch zur Simulationslaufzeit wird das Connector-Transmitter-Konzept eingeführt, das durch Trennung von Datenermittlung und -austausch eine flexible Interblockkommunikation zulässt. Nach der Ermittlung eines geeigneten dynamischen, objektorientierten Interprozessframeworks wird ein serviceorientiertes, komponentenbasiertes Framework für verteilte, adaptive Simulationen auf Basis der 3-D-Blockgitterstruktur für verschiedene LB-Modelle umgesetzt. Die entwickelten Servicekomponenten sowie implementierten Algorithmen und Konzepte werden im Detail vorgestellt. Für den Prototypen werden abschließend die parallele Leistungsfähigkeit und aktuelle Anwendungsbeispiele präsentiert.In this work, two different software concepts for efficient and flexible flow simulations based on the Lattice Boltzmann (LB) method are presented. In the first part of this work, the basics of the LB-method and the underlying finite difference discretization on hierarchical, Cartesian grids are described. Apart from single phase flows a new approach for immiscible two phase flows is derived. The second part of this thesis introduces a general, node based software concept for a two dimensional and three dimensional flow solver. The underlying quad- and octree data structure allows a dynamic and adaptive update of the grid structure as an extension to a priori refined grids. The software design also supports massively parallel simulations on distributed systems by a generalized, rule based parallelization approach. Subsequent to the description of concept, validations for the LB method and the flow solver are presented. In the third part of this thesis, an improved software concept is introduced. The proposed hybrid block grid approach enhances the node based approach. The connector transmitter concept separates the data collection from the data distribution between two blocks and allows an efficient and flexible numerical data transfer during the simulation. After the selection of a dynamic and object oriented interprocess framework, the implementation of a service oriented and component based framework is presented. The framework provides distributed, adaptive simulations on a 3-D block grid structure for various LB models. The developed service components as well as the implemented algorithms and concepts are described in detail. Finally, parallel efficiency is investigated and flow examples are presented