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In dieser Arbeit werden neuartige methodische Erweiterungen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt, die effizientere Simulationen inkompressibler Wirbelströmungen ermöglichen. Diese Erweiterungen beheben zwei Hauptprobleme der Standard-LBM: ihre Instabilität in unteraufgelösten turbulenten Simulationen und ihre Beschränkung auf reguläre Rechengitter. Dazu wird zunächst eine Pseudo-Entropische Stabilisierung (PES) entwickelt. Diese kombiniert Ansätze der Multiple-Relaxation-Time (MRT)-Modelle und der Entropischen LBM zu einem expliziten, lokalen und flexiblen Stabilisierungsoperator. Diese Modifikation des Kollisionsschritts erlaubt selbst auf stark unteraufgelösten Gittern stabile und qualitativ korrekte Simulationen. Zur Erweiterung der LBM auf irreguläre Rechengitter wird zunächst eine moderne Discontinuous-Galerkin-LBM untersucht und um stabilere Zeitintegratoren ergänzt. Diese Studie demonstriert die drastischen Schwächen existierender LBMAnsätze auf irregulären Gittern. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen gelingt die Formulierung einer neuartigen Semi-Lagrangeschen LBM (SLLBM). Diese ermöglicht in einzigartigerWeise sowohl die Verwendung irregulärer Gitter und großer Zeitschritte als auch eine hohe räumliche Konvergenzordnung. Anhand von Beispielsimulationen wird demonstriert, wieso dieser Ansatz anderen aktuellen Off-Lattice-Boltzmann-Methoden (OLBMs) in Effizienz und Genauigkeit überlegen ist. Weitere neuartige Aspekte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines modularen Off-Lattice-Boltzmann-Codes und die Erweiterung der LBM um implizite Mehrschrittverfahren, mit denen eine Erhöhung der zeitlichen Konvergenzordnung gelingt. The present work develops novel methodological extensions to the lattice Boltzmann method (LBM). These extensions enable the method to efficiently simulate incompressible vortical flows. They cure two major drawbacks of the standard LBM: its instability in under-resolved turbulence and its restriction to regular computational grids. At first, a pseudo-entropic stabilizer (PES) is developed, which combines ideas from multiple-relaxation-time (MRT) models and entropic models. The new PES is local, explicit, and flexible. It modifies the collision step in a way that enables stable simulations and produces qualitatively matching results, even on strongly underresolved grids. To extend the LBM towards simulations on irregular grids, a recent discontinuous Galerkin lattice Boltzmann method is studied and enhanced by more stable time integrators. This study illustrates the severe shortcomings of existing off-lattice Boltzmann methods (OLBMs). Based on these findings, the present work succeeds in developing a semi-Lagrangian lattice Boltzmann method (SLLBM). This novel approach allows unstructured grids, large time steps, and high-order accurate representations of the solution to be used in a unique way. Applications to exemplary flows demonstrate how and why the new method outperforms other recent OLBMs in both efficiency and accuracy. Additionally, this work describes the development of a modular off-lattice Boltzmann code and shows that the method’s convergence order can be increased by implicit multistep methods.

Vorliegende Arbeit diskutiert Simulationstechniken zur quantitativen Bestimmung und Bewertung von Luftströmungen in Innenräumen und die Anbindung dieser Techniken an ein Gebäudemodell. Raumluftströmungen werden in ihrem Erscheinungsbild anhand typischer Konfigurationen der Gebäudehülle charakterisiert. Es werden ihre Auswirkungen auf den Energiehaushalt eines Gebäudes und auf das thermische Behaglichkeitsempfinden der Nutzer erläutert. Zur numerischen Simulation des transienten thermischen Gebäudeverhaltens wird ein Finite-Volumen Ansatz zur Bilanzierung der instationären Wärmeströme durch die Gebäudestruktur beschrieben. Durch die Diskretisierung dynamischer Mehrzonenmodelle ist das Auflösungsvermögen bezüglich Raumluftströmungen dabei begrenzt, da ein oder wenige Raumlufttemperaturknoten pro Zone zur Bestimmung der durch Druckdifferenzen induzierten Enthalpieströme verwendet werden. In bestimmten Fällen ist daher eine hochauflösende Simulation mit CFD-Verfahren nötig, um lokale Strömungsvorgänge analysieren zu können, wie anhand der Vorstudie einer gekoppelten Simulation gezeigt wird. Der Einsatz der entwickelten Kopplungsschnittstelle wird zunächst anhand einer Kopplung zwischen einem kommerziellen CFD-System und einem thermischen Mehrzonen-Gebäudemodell demonstriert. Als Referenzmodell dient ein Gebäude mit Atrium. Die Ergebnisse werden mit vorliegenden Messdaten verglichen. Die Anbindung von Simulationsverfahren an ein Bauwerksmodell wird durch die verschiedenen Modelle hinsichtlich Planung und Berechnung erschwert, die die unterschiedlichen Sichtweisen der am Planungsprozess Beteiligten implizieren. Zur Analyse und Interpretation der geometrischen, topologischen und semantischen Daten eines Bauwerksproduktmodells wird deshalb ein graphentheoretischer Ansatz vorgestellt. Zur Ableitung eines Raummodells werden ein Bauteilgraph, ein Raumflächengraph, ein Raumgraph und ein relationaler Objektgraph als Hilfsmittel identifiziert und Algorithmen zur Ableitung dieser Relationen entwickelt. Das Raummodell gestattet die semantische Identifizierung von Objekttypen und die Ableitung eines Objekt- und eines Oberflächenmodells, womit die Voraussetzung zur Kopplung zwischen dimensionsreduzierten und detaillierten Berechnungsverfahren des thermischen Gebäudeverhaltens gegeben ist. Die Anwendung des Verfahrens wird anhand der Analyse und geometrischen Diskretisierung eines komplexen Referenzmodells demonstriert. Zur Simulation konvektiver Raumluftströmungen wird das Gitter-Boltzmann Verfahren eingesetzt. Es werden dessen Erweiterungen hinsichtlich Energieerhaltung und eines Large-Eddy Feinstruktur-Turbulenzmodells diskutiert. Validierungsrechnungen des verwendeten hybriden thermischen Modells zeigen gute Übereinstimmungen mit Werten aus der Literatur. Anhand eines komplexen dreidimensionalen Beispiels der Innenraumluftströmung in einem Atrium wird die prototypische Umsetzung des Verfahrens aufgezeigt. In this thesis, simulation techniques are discussed with respect to the quantification and evaluation of indoor air flows and ways of linking these techniques to a building model. The appearance of the indoor air flows is characterized by means of typical configurations of the outer shell of the building. The impact of air flows is depicted with respect to building energy consumption and thermal comfort of the user. In order to simulate the transient thermal behaviour of a building numerically, a finite volume method is described for balancing heat gains through the building's fabric. In thermal multizone models, enthalpy flows caused by pressure differences are usually computed using a single node or just a few nodes per zone. As this discretization technique restricts the spatial resolution of indoor air flows, a more detailed high-resolution CFD simulation is required in some cases to resolve local flow patterns, as shown in the preliminary study of a coupled simulation. The utilization of the coupling interface developed for this purpose is demonstrated by a coupled simulation between a commercial CFD system and a thermal multizone building model of a sample building with an inner courtyard. The results are compared to measurement data. The process of linking numerical approaches to building models is hampered by the range of different models put forward for planning and calculation purposes which reflect the conflicting views of the people involved in the design process. An ansatz based on graph theory is accordingly used to interpret the geometrical, topological and semantical data of a building product model. In order to derive a room model, a structural component graph, a graph of room surfaces, a room graph and a relational object graph are identified as aids. Algorithms are developed to derive these relations. The room model serves to identify objects semantically and derive both an object model and a surface model. This serves as a precondition for coupling dimensionally reduced and detailed approaches with respect to the simulation of thermal building behaviour. The application of the technique presented here is demonstrated by the analysis and discretization of a complex sample model. The lattice Boltzmann technique is applied to simulate convective air flows. Its extensions are discussed with respect to energy conservation and a Large Eddy subgrid scale turbulence model. Validation computations of the hybrid thermal model employed match the values from the literature well. A complex three-dimensional example based on the indoor air flows within an atrium is used to demonstrate the prototypic implementation of the method.

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Methoden zur Unterstützung des Planungsprozesses im Bauwesen unter strömungsmechanischen Gesichtspunkten vorgestellt. Auf der Grundlage der Lattice-Boltzmann Methode wird dazu eine Virtual Reality basierte Ergebnisauswertung und anschließend eine vollständig interaktive Strömungssimulation untersucht. Zunächst werden Verfahren der Visualisierung wissenschaftlich-technischer Daten weiterentwickelt. Die interaktive Analyse großer Datensätze wird durch eine Reduktion der Ergebnisdaten basierend auf hierarchischen Datenstrukturen unterstützt. Weiterhin werden Kriterien zur Bewertung des menschlichen Komfortempfindens in den Prozess der Visualisierung integriert. Virtual Reality Techniken und die kombinierte Darstellung der Ergebnisse der Berechnung mit dem CAD-Modell erleichtern das Verständnis der Strömung. Die anschließende Implementierung eines prototypischen interaktiven Strömungssimulators verbindet eine Umgebung zur Eingabe und Visualisierung über eine Interprozesskommunikation mit einem Supercomputer oder einem Workstation-Cluster. Dadurch wird es möglich, eine Strömung zur Laufzeit der Simulation durch Verändern der Hindernisse im Strömungsgebiet und der Randbedingungen zu manipulieren und das Ergebnis unmittelbar zu verfolgen. In this thesis, new methods supporting the planning process of a building with respect to fluid mechanical properties are introduced. Based on the Lattice-Boltzmann method, an interactive analysis of the simulation results in Virtual Reality is examined first, followed by the investigation of a complete interactive fluid flow simulation. First, common techniques of scientific visualization are extended: Hierarchical data structures are used to reduce the huge amount of data generated by the simulation and to map the data. Furthermore, criteria describing human comfort are integrated in the process of visualization. Virtual Reality techniques and the combined representation of the CAD-model with the mapped simulation results facilitate the comprehension of the investigated fluid flow problem. The following implementation of a computational steering system of a Lattice-Boltzmann based CFD simulation connects a front-end for the user-input and the visualization to a supercomputer or a workstation cluster using inter-process communication. Thus, it is possible to interact with a running simulation, manipulate obstacles in the flow field and boundary conditions while following the evolution of the flow immediately.