Generative Software-Entwicklung zur numerischen Strömungssimulation

  • Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Strömungs-Simulators. Dabei werden die instationären Navier-Stokes-Gleichungen im inkompressiblen Fall und ohne Energie-Gleichung betrachtet und numerisch in zwei und drei Dimensionen gelöst. Die Frage der Wahl der numerischen Methoden stellt sich zwischen Finite-Volumen- (FVM) und Finite-Elemente-Methode (FEM), die im zweidimensionalen Fall für Delaunay-Triangulierungen und Raumdiskretisierungen niedriger Ordnung verglichen werden. Der Strömungs-Simulator wird nach Prinzipien der generativen Programmierung entwickelt. Sämtliche Daten werden auf statische (vor der Kompilierung bekannte) und dynamische (erst in der Laufzeit bekannte) Daten verteilt. Demzufolge wird ein Simulator in der Kompilierungszeit aus elementaren, wiederverwendbaren Software-Komponenten zusammengestellt. Darüber hinaus werden einige Teilberechnungen mit statischen Daten in der Kompilierungszeit durchgeführt. Damit erreicht man eine hohe Effizienz bezüglich CPU-Zeit und Speicher-Verbrauch. DieseDie Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Strömungs-Simulators. Dabei werden die instationären Navier-Stokes-Gleichungen im inkompressiblen Fall und ohne Energie-Gleichung betrachtet und numerisch in zwei und drei Dimensionen gelöst. Die Frage der Wahl der numerischen Methoden stellt sich zwischen Finite-Volumen- (FVM) und Finite-Elemente-Methode (FEM), die im zweidimensionalen Fall für Delaunay-Triangulierungen und Raumdiskretisierungen niedriger Ordnung verglichen werden. Der Strömungs-Simulator wird nach Prinzipien der generativen Programmierung entwickelt. Sämtliche Daten werden auf statische (vor der Kompilierung bekannte) und dynamische (erst in der Laufzeit bekannte) Daten verteilt. Demzufolge wird ein Simulator in der Kompilierungszeit aus elementaren, wiederverwendbaren Software-Komponenten zusammengestellt. Darüber hinaus werden einige Teilberechnungen mit statischen Daten in der Kompilierungszeit durchgeführt. Damit erreicht man eine hohe Effizienz bezüglich CPU-Zeit und Speicher-Verbrauch. Diese neue Software wurde in der Programmiersprache C++ mit Template-Metaprogrammierung implementiert und wird als Generative Simulation Solver (GSS) bezeichnet.show moreshow less
  • The dissertation deals with a development of a new fluid dynamics simulator. The unstationary incompressible Navier-Stokes equations are treated without energy equation and numerically solved in two and three dimensions. In order to choose a numerical method, finite volume (FVM) and finite element methods are compared in two-dimensional case for Delaunay triangulations and low order schemes. The fluid dynamics simulator is developed within the framework of generative programming. All the data is split into static (known before compilation) and dynamic (known during runtime only) data. Therefore, the simulator is built at compile-time from elementary reusable software components. More over, some preliminary computations are performed on static data at compile-time. As a result, we achieve high efficiency concerning CPU-time and memory usage. This new Software was implemented in C++ programming language using template metaprogramming and called Generative Simulation Solver (GSS).

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Metadaten
Author: Myrnyy, Volodymyr
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-000000900
Referee / Advisor:Prof. Dr. Fröhner, Michael
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/02/21
Release Date:2007/03/02
Tag:Finite-Elemente-Methode; Generative Programmierung; Navier-Stokes-Gleichungen; Strömungssimulation; Template-Metaprogrammierung
GND Keyword:Numerische Strömungssimulation; Softwareentwicklung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Mathematik (ehemals)