In den letzten Jahrzehnten wurde die Grobstruktursimulation (LES) weitestgehend von der akademischen Forschung hin zur industriellen Anwendung adaptiert mit der Erwartung an die LES eine akkurate und zuverlässige Vorhersagen von turbulenten Strömungen mit Wärmetransport zu ermöglichen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei der LES feine numerische Gitter, welche mit den viskosen Längenskalen skalieren, für die Auflösung der wandnahen turbulenten Bewegungen erforderlich sind. Das hat zur Folge dass LES von wandnahen Strömungen sehr rechenintensiv und zeitaufwendig sind. Diese Schwächen beschränken und behindern die Anwendung von LES für realistische industrielle Strömungen mit festen Wänden. Eine weitverbreitetet Methode dieses Problem zu umgehen besteht darin, die wandnahe Strömung zu modellieren, was voraussetzt dass die wesentlichen Größen akkurat und mit stark reduzierten Rechenkosten wiedergegeben werden können, wie beispielsweise turbulente Größen in der äußeren Strömungsschicht, Reibwiderstand, und Wärmefluss in einem Energiesystem. Trotz zahlreich verfügbarer Wandmodellierungen für LES (WMLES) sind diese kaum in der Lage komplexe Strömungen mit Wärmetransport in industriellen Strömungsanwendungen, welche durch hoch instationäre, wandnahe Nichtgleichgewichtsströmungen charakterisiert sind, vorherzusagen.

Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung von verlässlichen und universellen Wandfunktionen für LES (WFLES), die Vorhersagen von instationären, wandnahen turbulenten Nichtgleichgewichtsströmungen mit Wärmeübergang in realistischen industriellen Strömungsanwendungen erlauben. Dies beinhaltet: (1) die Entwicklung von neuen Nichtgleichgewichtswandfunktionen für die Geschwindigkeit und Temperatur im Kontext von turbulenten Strömungen mit Wärmetransport; (2) Implementierung der neuen Nichtgleichgewichtswandfunktionen in den Strömungslöser OpenFOAM zur Anwendung von Wärmeübergangsproblemen mittles LES von inkompressiblen Fluidströmungen mit konstanten und variablen physikalischen Eigenschaften; (3) Verifikation und Validierung der vorgeschlagenen WFLES mit Hilfe von mehreren generischen Vergleichtests mit Relevanz für Abgassysteme. Hierbei wurden die Vergleichsdatensätze mit eigenen wandaufgelösten LES, DNS und experimentellen Messungen vervollständigt; (4) Anwendung des vorgeschlagenen WFLES zur Untersuchung von Wärme- und Strömungsprozesse in einem Abgassystem eines Lada Niva 21214 unter realistischen Betriebsbedingungen. Hierbei wurden die berechneten Wärme- und Strömungsphänomene mit eigens erhobenen experimentellen Daten verglichen.

In der vorliegenden Arbeit wurden wesentliche Meilensteine erreicht. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Entwicklung eines numerischen Werkzeugs zur Vorhersage von komplexen turbulenten Strömungen mit Wärmeübergang für industrielle Strömungsanwendungen, welches auf einer neuartigen Wandmodellierung für LES mittels Wandfunktionen basiert. Dieses wurde zunächst anhand von mehreren generischen Vergleichsfällen, welche relevant für typische industrielle Anwendung sind, validiert und verifiziert. Anschließend wurde das numerische Werkzeug dazu verwendet um die turbulente Strömung mit Wärmeübergang in einem realistischen Abgassystem unter typischen Fahrtbedingungen vorherzusagen. Die Vorhersagegenauigkeit des entwickelten numerischen Werkzeugs wurde mittels guter Übereinstimmung von Simulation und Experiment bestätigt.

Aus der vorliegenden Arbeit geht klar hervor, dass die vorgeschlagene Wandmodellierung für LES basierend auf Wandfunktionen ein umsetzbares und flexibles numerisches Werkzeug zur akkuraten und wirtschaftlichen Vorherage von komplexen turbulenten Strömungen mit Wärmeübergang für realistischen industriellen Strömungsanwendungen darstellt.