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Forschung und Entwicklung
Adjungierte Verfahren
Mit der adjungierten Methode können Sensitivitäten (Ableitungen) von Strömungsgrößen und daraus abgeleiteten Größen nach geometrischen Parametern berechnet werden. Dies ist deutlich effizienter als die Berechnung von Ableitungen mit Hilfe von Strömungslösungen, z.B. durch finite Differenzen, wenn viele Parameter und verhältnismäßig wenig Zielgrößen betrachtet werden.
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Beschleunigungsverfahren
Zunehmend genauere Modelle zur Beschreibung physikalischer Prozesse wie Aerodynamik, Aeroakustik, Aerothermodynamik, Aeroelastik oder Turbulenz sowie deren Interaktion führen zu einer immer größeren Komplexität der zu simulierenden Konfigurationen. Zur Reduktion der erforderlichen Simulationszeiten werden verschiedene Beschleunigungsverfahren eingesetzt.
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Frequenzbereichsverfahren
Bei der Simulation von Strömungen in Turbomaschinen treten wesentliche physikalische Phänomene oft mit bestimmten Frequenzen auf, z.B. bei Vielfachen der Rotationsfrequenz oder den Eigenfrequenzen von Schaufeln. In diesen Fällen genügt es häufig die Lösung der Strömungsgleichungen für einige wenige Frequenzen zu berechnen. Dazu werden die Strömungsgleichungen in den Frequenzbereich zu transformieren und dort für ausgewählte Frequenzen gelöst. Die Rechenzeit kann dadurch um ein bis zwei Größenordnungen gegenüber einer nichtlinearen, instationären Rechnung reduziert werden. In TRACE werden Frequenzbereichsverfahren in zwei Ausprägungen verwendet: in einem zeitlinearisierten Navier-Stokes-Lösers für eine einzelne Frequenz und in einem Harmonic-Balance-Verfahren, bei dem Kopplungen zwischen verschiedenen Frequenzen berücksichtigt werden.
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Numerischer Prüfstand
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.
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Prä- und Postprocessing
Die TRACE Suite bieten einen hauseigenen, industriereifen Prozess von der Vernetzung bis zur Auswertung. Dazu zählen unter anderem Tools nur Netzgenerierung, Prä- und Post-Processing-Tools. Strukturierte Netze für Turbomaschinenkomponenten werden mit dem am Institut entwickelten Werkzeug G3DHEXA erstellt. PREP ist ein Aeroelastik-Präprozessor. In Anschluss an die Simulation kann mit dem Postprozessor POST das Strömungsfeld analysiert werden, z.B. können vollautomatisch Kennzahlen bestimmt werden.
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Turbulenz & Transition
Alle in realen Anwendungen vorkommenden Turbomaschinenströmungen sind zumindest teilweise turbulent. Aus diesem Grund ist die Modellierung von Turbulenz und laminar-turbulenter Transition ein wichtiger Aspekt bei der numerischen Strömungssimulation und hat großen Einfluss auf die Vorhersagegüte des Strömungslösers.
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Verfahren höherer Ordnung
Für die Untersuchung der Strömung in Turbomaschinen wurden leistungsfähige numerische Methoden entwickelt und erfolgreich in der Simulation eingesetzt. Jedoch sind diese Algorithmen, die typischerweise von erster und zweiter Ordnung Genauigkeit sind, für die räumliche und zeitliche Diskretisierung von Strömungen mit komplexen physikalischen Vorgängen und komplexer Geometrie ineffizient. Insbesondere die Anwendung in der numerischen Aeroakustik (CAA) oder in turbulenten Verbrennungsprozessen erfordert eine genauere Vorhersage der Phänomene als mit Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (RANS) Simulationen von zweiter Ordnung Genauigkeit erreicht werden kann.
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Wärmeübertragung
Speziell im im Hinblick auf Schaufelkühlung ist das Verständnis der Aerothermodynamik der Turbine von entscheidender Bedeutung. In TRACE wird eine moderne Wärmeübergangsmodellierung untersucht, um die Wechselwirkungen zwischen aerodynamischen und thermischen Grenzschichten genauer vorherzusagen.
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