Numerische Methoden



 

Strömung im Verdichter Rig 250

Die Anwendung hochentwickelter numerischer Methoden gestattet mit zunehmender Rechnerleistung immer tiefere Einblicke in reale Strömungsvorgänge und ermöglicht den Bau von noch effizienteren und leistungsfähigeren Turbomaschinen.
Die Gruppe Numerische Methoden des Instituts für Antriebstechnik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), entwickelte in der zurückliegenden Dekade das fortschrittliche Programmsystem TRACE (Turbomachinery Research Aerodynamic Computational Environment) zur Berechnung und Untersuchung von Strömungen in Turbomaschinen. TRACE wird im DLR als Standardverfahren für Innenströmungen eingesetzt.
Andere Forschungsstellen und Hochschuleinrichtungen nutzen TRACE ebenfalls erfolgreich für ihre wissenschaftlichen Analysen komplexer Strömungsvorgänge in Turbomaschinenkomponenten. In Kooperation mit MTU-Aero Engines und Siemens Energy wurde TRACE in den industriellen Entwicklungs- und Optimierungsprozess für Turbomaschinen eingebunden.
Die weitere Entwicklung moderner CFD-Systeme richtet sich insbesondere an den Themen Aeroelastik, Aeroakustik, Aerothermodynamik und Turbulenz und der Nutzung von Super-Computern aus. Die Weiterentwicklung des Programmsystems basiert auf den drei Säulen Softwaretechnik, mathematische Modelle und Verfahren sowie physikalischer Modellbildung. Ziel ist es, ein den Problematiken in der Turbomaschine angepasstes und effizientes Forschungs- und Designwerkzeug zur Simulation bereitzustellen und aufzuzeigen, welche Module für eine vertrauensvolle Simulation eingesetzt werden müssen.

Die Kernaufgaben der Abteilung bilden die folgenden Punkte:

  •  Entwicklung und Anwendung von High-Fidelity Simulationsmethoden für alle Hauptkomponenten von Triebwerken und fossilen Kraftwerken.
     
  •  Entwicklung spezieller Features, die kommerzielle Verfahren derzeit nicht bieten (nichtlineare Frequenzbereichsmethodik, linearisiertes Modul, adjungierter Löser, nicht-reflektierende Randbedingungen, Anbindung eines leistungsfähigen Optimierungsverfahrens)
     
  •  Ständige Weiterentwicklung für massiv-parallele Anwendungen und kommende Prozessorarchitekturen
     
  •  Konzentration vor allem auf instationäre Turbomaschinenaerodynamik, -aeroelastik, aeroakustik, Turbulenz- und Transitionsmodellierung für vielstufige Applikationen.
     
  •  Erweiterung für Verbrennungsmodellierung (2-Phasenströmung, Realgas, etc), höherwertige Turbulenzmodellierung (RSM), Discontiniuous Galerkin – Verfahren, und CAD-basiertes Pre-Processing

Simulationssystem
Das Simulationssystem TRACE besteht aus den Modulen PREP, TRACE und POST. PREP ist ein Präprozessor zum Aufprägen von Schaufeleigenmoden einer FEM-Rechnung auf ein CFD-Netz zur anschließenden Simulation von Flattern oder fremderregten Schwingungen. TRACE ist der hybride (strukturiert und unstrukturiert) Strömungslöser, der ein nichtlineares Modul im Zeit- als auch im Frequenzbereich besitzt, sowie ein linearisertes Modul im Frequenzbereich und einen adjungierten Strömungslöser. POST ist ein umfangreiches Softwaretool zur globalen Analyse stationärer als auch instationärer mehrstufiger Turbomaschinensimulationen. Des Weiteren wird der Template- und parameterbasierte Netzgenerator G3DHexa für die strukturierte Netzgenerierung weiterentwickelt.
Das Programmsystem TRACE unterliegt einem ausführlichen Qualitätsmanagement, zu dem eine Test- und Validierungssuite gehört, die ebenso wie ein nächtlicher Build-Prozess automatisiert abgefahren wird. Gesteuert werden die Prozesse über Python-basierte Skripte unter dem Einsatz von Softwareentwicklungswerkzeugen, die Stand der Technik sind (Eclipse, SVN, Jenkins, etc.)

Das Programmsystem TRACE bietet also eine qualitätsgesicherte Basis für die Simulation von Strömungen in Turbomaschinen und wird von der Industrie for die Auslegung von Komponenten für Flugzeugtriebwerke (MTU) und stationären Gasturbinen (Siemens Energy) verwendet. Darüber hinaus nutzen dieses Softwarepaket weitere 15 Universitäten in Deutschland sowie die KTH Schweden für Forschung an Turbomaschinen. Drei dieser Universitäten in Deutschland sind ebenso aktiv an der Weiterentwicklung von TRACE beteiligt.

 


Kontakt
Dr.-Ing. Edmund Kügeler
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Numerische Methoden
Tel: +49 2203 601-3248

E-Mail: Edmund.Kuegeler@dlr.de
URL dieses Artikels
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