Computersimulation
In der Abteilung Computersimulation werden effiziente und hochpräzise numerische Verfahren für die Berechnung komplexer Strömungen mit Verbrennung entwickelt.
Das Hauptwerkzeug ist dabei der am Institut entwickelte in-house Code ThetaCOM. Der Schwerpunkt der Anwendung liegt in der Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse in Gasturbinenbrennkammern. Untersucht werden sowohl Brennkammersysteme aus dem Bereich der Energieerzeugung als auch aus der Luftfahrt. Unter Berücksichtigung von Brennstoff- und Lastflexibilität werden wesentliche Effekte untersucht: Dazu zählen neben instationären Verbrennungsphänomenen in turbulenten Strömungen auch thermoakustische Effekte sowie Schadstoffbildung. Dies trägt wesentlich zur Entwicklung zukünftiger Technologien bei.
Berechnung von Rußbildung bei nachhaltig produzierten Treibstoffen
Für die genaue numerische Darstellung der physikalischen und chemischen Vorgänge in der Strömung greift die Abteilung bevorzugt auf die Rechenmethode „Large-Eddy-Simulation“ (LES) zurück, bei der die energiereichen Anteile der turbulenten Strömung direkt aufgelöst werden. Eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung derartiger Simulationen ist die in ThetaCOM verfügbare räumliche Diskretisierung höherer Ordnung auf unstrukturierten Gittern, die es ermöglichen, Anwendungsfälle mit hoher Komplexität zu rechnen. Hinzu kommen detaillierte Reaktionsmechanismen in Kombination mit Modellen für die Turbulenz-Chemie-Interaktion. Tendenzen der Rußbildung für reguläre und zukünftig nachhaltig produzierte Treibstoffe können mit einem erprobten Modell hoher Qualität untersucht werden, welches sowohl die Menge als auch die Größenverteilung der Emissionen errechnen kann.
Die Abteilung verfügt nicht nur im Bereich der Gasturbinen über langjährige Erfahrung und Expertise, sondern auch bei der Verbrennungssimulation in Scramjets (Überschallverbrennung) und in Raketenbrennkammern. Mit dem in-house Code TASCOM3D können entsprechende instationäre Strömungen mit Stoßsystemen und überkritischer Thermodynamik räumlich und zeitlich mit hoher Präzision berechnet werden.
Exzellente Skalierbarkeit dank High Performance Computing-Infrastruktur
Für alle in-house Codes spielt die effiziente Nutzung der DLR-eigenen High-Performance-Computing Infrastruktur eine große Rolle. Sie ermöglicht es, auch für komplexe Probleme innerhalb kurzer Zeit Lösungen zu finden. Aktuell wird sowohl für ThetaCOM als auch für TASCOM3D verlässlich exzellente Skalierbarkeit bei der Verwendung mehrerer tausend Rechenkernen erreicht.
Die Abteilung unterstützt darüber hinaus auch bei Auslegungsrechnungen im Designprozess für Mikrogasturbinen. Hier spielen weniger die detaillierten Untersuchungen von Einzelphänomenen eine Rolle. Stattdessen gilt es, beispielsweise im Rahmen einer Optimierung, eine Vielzahl an geometrischen Variationen zuverlässig und effizient mit ThetaCOM zu rechnen, und zwar unter Verwendung zeitlich gemittelter Erhaltungsgleichungen (Reynolds-Averaged Navier Stokes Equations - RANS/URANS).