Turbulente verdrallte Strömung und ”Tumbling motions” sind die dominierenden aerodynamischen Phänomene im Verbrennungsmotor, die sowohl die Mischung zwischen Luft und Brennstoff, als auch den Verbrennungsprozess stark beeinflussen. In den Anwendungen der Numerischen Strömungsmechanik (CFD - Computational Fluid Dynamics) findet die Methode der Grobstruktursimulation (LES - Large Eddy Simulation) immer mehr die Verwendung im Design- und Optimierungprozess der Verbrennungsmotoren dank der korrekten Erfassung der strukturelen Eigenschaften der drallbehafteten Strömung sowie deren zyklischen Veränderungen. Diese Methode kompensiert den Nachteil der RANS-Vorgehensweise (nach Reynolds gemittelte Navier-Stokes’sche Methode) durch Auflösen der instantanen turbulenten Strukturen, obgleich die durch die Gitterauflösung bedingte Genauigkeit zu prüfen ist. Die hybriden Modellierungsstrategien, die in den letzten Jahren stark an der Popularität in der CFD-Community gewonnen haben, koppeln die besten Eigenschaften der LES und RANS Methoden: einerseits sind die großen, energie-tragenden Wirbelstrukturen entsprechend der Gitterbreite aufgelöst; anderseits sind die hoch-frequenten turbulenten Skalen von den Modellen umfasst.

In der vorliegenden Arbeit wird die sogenannte ”Very Large Eddy Simulation” Methode (VLES) formuliert und validiert. Die Validierung wird zuerst anhand einiger wichtiger generische Fälle durchgeführt, um das allgemeine Verhalten des Modells zu überprüfen. Die Testfälle beziehen sich auf ”das Abklingen der homogenen isotropen Turbulenz” (referente direkte numerische Simulation - DNS - wurde von Tavoularis et al.(1997) durchgeführt; hier geht es um den grundlegenden Prozess des natürlichen Abklingens der Turbulenz), die “turbulente Kanalströmung” (DNS von Moser et al.(1999), dies stellt den wichtigsten Testfall zur Untersuchung der Turbulenz im wandnahen Bereich) und die “periodische Strömung über einen zweidimensionalen Hügel” (LES von Temmermann et al.(2003) zur Untersuchung der separierenden Scherschicht an einer gekrümmten kontinuierlichen Oberfläche). Weitere Validierung der hier formulierten VLES Methode ist anhand der Berechnung der verdrallten Strömung in einem Wirbel-Rohr (experimentell untersucht von Grundmann et al.(2012)) und einer generischen Motorkonfiguration (experimentell untersucht von Borée et al. (2001)) durchgeführt. Das Ziel war zu prüfen, ob die entsprechenden physikalischen Phänomene wiedergegeben werden können. Letztendlich wurde eine reale Motorgeometrie mit den sich bewegenden Ventilen und dem Kolben (ohne Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung) berechnet. Die Referenzdaten wurden im Rahmen des Experimentes von Baum et al.(2013)) zur Verfügung gestellt.

Zudem wurden all die aufgeführten Strömungsfälle mit der ”Partially Averaged Navier-Stokes” (PANS) Methode und der konventionellen RANS Methode (das Vier-Gleichungsmodell k-ζ-f von Hanjalić et al.(2004) wurde eingesetzt; dieses RANS Modell stellt den Bestandteil sowohl der PANS als auch der VLES Methode dar) berechnet. Das VLES hybride Modell liefert vielversprechende, zu den entsprechenden LES und experimentellen Daten komplementäre Ergebnisse. Vor allem dort, wo keine geometrisch bedingte Generierung der Instationarität der Turbulenz vorhanden ist (wie im Fall einer Ablösung), ist VLES fähig, die Geschwindigkeitsfluktuationen aufzulösen, während PANS zu diffusiv erscheint. Die Eigenschaft von VLES, die modellierten turbulenten Größen explizit zum Feinstruktur-Level (sub-scale) zu unterdrücken, ermöglicht die Erhaltung der fluktuierenden Strömungsstruktur, wie im Fall einer LES. Diese Eigenschaft ist insbesondere in den Konfigurationen nützlich, wo das zu Grunde gelegte RANS Modell nicht geeignet ist. Außerdem ermöglicht die VLES die momentanen Größen im Rahmen der Methode direkt zu berücksichtigen, ohne sie mitteln zu müssen. Dies kommt insbesondere in den zeitlich abhängigen Strömungsfällen mit den sich bewegenden Berandungen (z.B. Ventile und Kolben) zu Geltung.