Die meisten Strömungs- und Wärmetransportvorgänge in Natur und Technik sind turbulent. Bei genauerer Betrachtung solcher turbulenten Strömungen kann man ein breites Spektrum an instationären, unregelmäßigen und chaotischen Strukturen beobachten. Turbulente Strukturen erhöhen die Unordnung eines Strömungssystems, verbunden mit einem Verlust an verfügbarer mechanischer Energie. Dies kann durch Entropieproduktion beschrieben werden und ist die Hauptursache für Irreversibilitäten in turbulenten Strömungen, welche verantwortlich für thermodynamische Verluste in zahlreichen Ingenieursanwendungen sind. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der numerischen Berechnungsverfahren bleibt es anspruchsvoll turbulente Strömungen und hierbei auftretende Irreversibilitäten akkurat vorherzusagen. Diesbezüglich bieten vor allem Grobstruktursimulationen (LES) einen vielversprechenden Ansatz zur Berechnung von instationären Strömungen mit großskaligen turbulenten Strukturen. Trotz des großen Potenzials von LES, findet diese Technik hinsichtlich Entropieproduktionsanalysen und thermodynamischer Optimierung kaum Anwendung, welche vor allem der komplizierten Feinstrukturmodellierung von Irreversibilitäten geschuldet ist.

Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung einer verlässlichen LES Methode, die eine Charakterisierung und Optimierung basierend auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik von unter- und überkritischen Strömungsanwendungen erlaubt. Dies beinhaltet: (1) die Entwicklung geeigneter numerischer Verfahren zur Berechnung von turbulenten Strömungen mit Wärmetransport im Rahmen von LES und direkten numerischen Simulationen (DNS), (2) die Entwicklung von wandangepassten Feinstrukturmodellen für den Impulstransport, Wärmetransport und Entropieproduktionsraten, und (3) die Erstellung eines umfangreichen DNS Referenzdatensatzes zur Beurteilung der LES Methode unter realitätsnahen Strömungsbedingungen und komplexen thermodynamischen Fluideigenschaften. Die Beurteilung der entwickelten numerischen Methoden und Modelle erfolgt außerdem durch einen systematischen Vergleich mit experimentellen und DNS Daten aus einschlägiger Literatur. Das vorgeschlagene Gesamtmodell wird abschließend zur Charakterisierung von überkritischen Treibstoffeinspritzungen und zur thermodynamischen Optimierung von Prallkühlvorrichtungen genutzt.

In der vorliegenden Arbeit sind wesentliche Meilensteine bezüglich der Entwicklung eines verlässlichen Ingenieurswerkzeugs zur Entropieproduktionsanalyse mittels LES erreicht worden. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Entwicklung eines wandangepassten Ein-Gleichungs-Feinstrukturmodells, welches ohne die Verwendung von ad-hoc Verfahren oder dynamischer Prozeduren in der Lage ist, das korrekte Wandverhalten wiederzugeben. Ein weiterer wesentlicher Beitrag ist die Entwicklung eines thermodynamisch konsistenten Wärmeflussmodells. Zusätzlich konnte, basierend auf der Turbulenztheorie, ein analytischer Zusammenhang zwischen der Entropieproduktion in den Feinstrukturskalen und den aufgelösten Grobstrukturskalen gefunden werden. Das entwickelte Gesamtmodell wird abschließend dazu genutzt, um überkritische Treibstoffeinspritzungen zu charakterisieren und Prallkühlvorrichtungen zu optimieren. Die Analyse der Entropieproduktionen erlaubt einerseits die Bestimmung der charakteristischen Merkmale des Strahlzerfalls bei überkritischen Betriebszuständen und andererseits eine thermodynamisch optimale Auslegung von Prallkühlvorrichtungen.

Aus der vorliegenden Arbeit geht klar hervor, dass Entropieproduktionsanalysen mittels LES eine sehr wertvolle und umsetzbare Methode zur Vorausberechnung und Optimierung von komplexen Strömungsanwendungen mit Wärmetransport darstellt.