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Numerischer Prüfstand

 

Grobstruktursimulation (LES) einer Niederdruckturbinenschaufel mit dem Finite- Volumen-Löser in TRACE.

Eine der größten Herausforderungen in der numerischen Strömungssimulation ist die korrekte Wiedergabe von turbulenten Strömungen und laminar-turbulentem Umschlag (Link Turbulenz & Transition). Wenn ausreichend Rechenressourcen zur Verfügung stehen, können skalenauflösende Methoden wie direkte numerische Simulation (Direct Numerical Simulation, DNS) oder Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) eingesetzt werden. Diese Methoden lösen die relevanten turbulenten Skalen und können mit keinem bis wenig Modellierungsaufwand die mittlere Strömung und statistische Korrelationen hochgenau vorhersagen. Solche sorgfältig durchgeführten skalenauflösenden Simulationen (Scale-resolving Simulations, SRS) können als eine Art numerischer Prüfstand angesehen werden. Sie können zum einen verwendet werden, um detaillierte Einblicke in komplexe turbulente Strömungen zu erlangen. Dies sind insbesondere hochabgelöste Strömungen, die an der Betriebsgrenze von Turbomaschinen auftreten. Zum anderen können mit den hochgenauen Daten statistische Turbulenzmodelle, die im alltäglichen Designprozess von Turbomaschinekomponenten eingesetzt werden, validiert und verbessert werden.

Es ist ein strategisches Ziel der Abteilung, TRACE als numerischen Prüfstand für Turbomaschinekomponenten in Design- und Off-Design- oder sogar ungewöhnlichen Betriebsbedingungen (z. B. Verdichterpumpen, Windmilling, High-Altitude Relight, Blade-off, Vogelschlag, etc.) zu qualifizieren und die SRS-Fähigkeiten auszubauen. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung des virtuellen Triebwerks. Während die Entwicklung der CFD-Methoden am Institut für Antriebstechnik beheimatet ist, wird das neue Institut für Test und Simulation von Gasturbinen Rechenressourcen beisteuern und die Simulationen im Konzept des digitalen Zwillings integrieren.

In der CFD community an Universitäten in der ganzen Welt existiert eine große Vielzahl an Modellen und Methoden für SRS. Dennoch werden diese Simulationen, nicht nur wegen beschränkt vorhandener Rechenressourcen, bisher nicht routinemäßig in industriellen Umgebungen eingesetzt. An der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und der Luftfahrtindustrie ist es die Aufgabe des DLR praktische und benutzbare Lösungen zu entwickeln. Diese erfordern Forschung und Entwicklung bezüglich Randbedingungen, Diskretisierungsmethoden, transitionale Strömungen, Netzgenerierung, online- und post-processing sowie nicht zuletzt high-performance computing.

Sowohl der strukturierte Finite-Volumen-Löser, als auch der unstrukturierte Discontinuous-Galerkin-Löser von TRACE wurden mit Grobstruktursimulationen anhand einer Reihe von Referenzfällen validiert und verglichen. Kürzlich wurde eine erste Simulation einer Niederdruckturbinenschaufel durchgeführt.

Kontakt
Christian Morsbach
Institut für Antriebstechnik

Numerische Methoden

Köln

Tel.: +49 2203 601-2458

Fax: +49 2203 601-5143
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