TY  - THES
A3  - Roller, Sabine
AB  - Mehrskalenprobleme, wie die Schallerzeugung durch Strömung und deren reine Schallausbreitung, sind für die Industrie von wachsender Bedeutung, z.B. für die Reduktion der Schallemission von Windenergieanlagen. Generell können sowohl Strömung als auch akustische Wellenausbreitung durch die selben physikalischen Gleichungen beschrieben werden. Die Beschreibung des reinen Wellentransports kann jedoch wesentlich vereinfacht werden, was in einem geringeren Berechnungsaufwand resultiert. Des Weiteren basieren Strömungsphänomene auf sehr kleinen räumlichen Skalen, wohingegen die akustische Wellenausbreitung auf großen räumlichen Skalen stattfindet. Vor allem dieser Skalenunterschied macht die numerische Berechnung solcher Mehrskalenproblemen anspruchsvoll. So ist eine Simulation des gesamten Gebietes mit der Auflösung, welche durch die sehr kleinen Strömungsskalen vorgegeben ist, aufgrund der hohen Kosten und des hohen Energieverbrauches mit heutigen Computerressourcen nicht durchführbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine partitionierte Kopplung mittels Oberflächen als Ansatz zur effizienten Simulation solcher Probleme auf massiv parallelen Supercomputern entwickelt. Dabei wird das gesamte Gebiet in kleinere Gebiete einzelner physikalischer Phänomene aufgeteilt und die Interaktion dieser Gebiete durch einen bidirektionalen Datenaustausch an den Rändern realisiert. Die separate Behandlung einzelner Phänomene ermöglicht nicht nur die Nutzung von auf die jeweilige Physik abgestimmter Verfahren (Ordnung, Gitterauflösung, Gleichungen), sondern auch verschiedener numerischer Löser. Diese Herangehensweise birgt aber auch numerische Herausforderungen an den Kopplungsrändern: so sind für einen konsistenten Datenaustausch an den Kopplungsrändern im Falle unterschiedlicher räumlicher Auflösung direkte Datenauswertung oder effiziente Interpolationsmethoden notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei verschiedene Ansätze zur partitionierten Kopplung von Strömungs- sowie Akustikgebieten im Hinblick auf Qualität der Lösung und Performanz implementiert und untersucht: ein black-box und ein white-box Ansatz. Dabei verspricht ein white-box Ansatz höhere Effizienz, da löserinterne Verfahren zur Datenevaluierung verwendet werden können. Ein black-box Ansatz hingegen, zeichnet sich durch Flexibilität in der Wahl der numerischen Löser sowie schneller Umsetzbarkeit aus. Dieser Anspruch auf Flexibilität geht allerdings einher mit einem beschränkten Zugriff auf löserinterne Informationen sowie potenziellen Geschwindigkeitseinbußen. Zudem arbeitet ein solcher Ansatz an den Kopplungsrändern ausschließlich mit Punktwerten, was zur Folge hat, dass externe Interpolationsmethoden zum konsistenten Datenaustausch verwendet werden müssen, was erwartungsgemäß weniger effizient ist als löserinterne Methoden. Daher wird in dieser Arbeit auch die Performanz beider Kopplungsansätze betrachtet und eine optimale Lastverteilung zwischen den einzelnen physikalischen Gebieten erarbeitet. Es wird an einem Beispiel aus der Industrie, einem 3D Freistrahl mit hoher Reynoldszahl gezeigt, dass mit dem beschriebenen Verfahren die Berechnung komplexer Mehrskalenprobleme in angemessener Zeit durch eine effiziente Nutzung der heutigen Computerressourcen ermöglicht wird.
AU  - Krupp, Verena
DA  - 2021
DO  - 10.25819/ubsi/10033
KW  - Schallerzeugung
KW  - Simulation technology
KW  - Multi-scale problems
KW  - Sound generation
KW  - Simulationstechnik
KW  - Mehrskalenprobleme
LA  - eng
PY  - 2021
TI  - Efficient coupling of fluid and acoustic interaction on massively parallel systems
TT  - Effiziente Kopplung der Interaktion von Strömungen und Akustik auf massiv parallelen Systemen
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:467-21109
Y2  - 2024-12-26T20:49:16
ER  -