Bei der Simulation von Strömungen ist neben der physikalischen Modellbildung und den verwendeten numerischen Verfahren die geeignete Vorgabe von Randbedingungen entscheidend für die zu erwartende Lösungsqualität. Da für die Berechnung von Strömungen in Turbomaschinenkomponenten im Gegensatz zu Anwendungen in der Außenaerodynamik der Abstand der künstlichen Ein- und Ausströmränder zur untersuchten Geometrie stark begrenzt ist , ergibt sich eine besonders große Bedeutung für die Definition der Randbedingungen. Der Trend zu immer kompakteren Bauweisen mit geringen Axialabständen und höheren aerodynamischen Schaufelbelastungen verstärkt die Bedeutung nochmals.
Abbildung 1: Offene Randflächen für die Simulation von Strömungen in Turbomaschinenkomponenten
Ein- und Austrittsebenen stellen im CFD-Kontext künstliche Ränder dar, weil sie ein in Wirklichkeit offenes Volumen begrenzen. Daher sollten im Inneren des Strömungsgebietes erzeugte Störungen wie z.B. Nachläufe oder Potentialkeulen von Schaufeln durch ideale Randbedingungen ungestört nach außen dringen. Randbedingungsformulierungen, wie sie in der Außenaerodynamik und auch in vielen kommerziellen CFD-Tools verbreitet sind, führen jedoch häufig zu ungewollten Reflektionen an solchen offenen Rändern. Dies kann dazu führen, dass Schaufeldruckverteilungen, Stoßverluste und Betriebspunkte nicht korrekt vorhergesagt werden. Darüber hinaus können in der Aeroelastik und Aeroakustik künstlich reflektierte Druckstörungen die Vorhersage der aerodynamischen Dämpfung bzw. des Schallfeldes massiv verfälschen.
In TRACE stehen daher nichtreflektierende Randbedingungsmethoden zur Verfügung. Diese basieren auf einer modalen Betrachtung und Charakteristikenanalyse der linearisierten Eulergleichungen unter Ausnutzung der in Turbomaschinen vorherrschenden Periodizität. Dadurch wird dem Wellencharakter der Erhaltungsgleichungen Rechnung getragen und auf den Randflächen werden Strömungszustände derart vorgeschrieben, dass keine künstlichen Störungen an den Randflächen erzeugt werden und ins Rechengebiet transportiert werden.
Diese Randbedingungen werden im Zuge der Patenschaft weiterentwickelt und verbessert. Neben der Parallelisierung dieser Methoden, um TRACE in Simulationen mit vielen Prozessoren weiter zu beschleunigen, werden im Rahmen der Patenschaft Maßnahmen mit Fokus auf bessere Konvergenz und Stabilität umgesetzt. Darüber hinaus werden die bestehenden Verfahren derart vereinheitlicht, dass dem Anwender zukünftig unabhängig vom gewählten Lösungsverfahren (nichtlinear, zeitlinearisiert oder harmonic balance) konsistente Randbedingungsformulierungen zur Verfügung stehen.