Bei der numerischen Behandlung von Turbomaschinen bieten strukturierte Strömungsverfahren Vorteile gegenüber unstrukturierten Ansätzen. Daher werden die meisten Komponenten strukturiert vernetzt. Nur in manchen Nebengeometrien wie z. B. Kavitäten, Casing Treatments oder Kühlkanälen ist eine strukturierte Vernetzung allerdings sehr zeitaufwendig und schwer zu realisieren. Diese Bereiche müssen vorab identifiziert und unstrukturiert vernetzt werden. Ein Netz, das sowohl strukturierte als auch unstrukturierte Topologien enthält, wird in diesem Zusammenhang als hybrid bezeichnet.
TRACE als hybride Löser bietet die Möglichkeit, mit hybriden Netzen umzugehen. Dabei sind auch nur unterschiedliche Ansätze für die räumliche Diskretisierung implementiert. Ein Großteil der Funktionen wird von beiden Löserteilen genutzt. Dazu gehören u. a. die Randbedingungen, Zeitdiskretisierung sowie Turbulenz- und Transitionsmodelle. Auch die eingesetzten iterativen Löser entsprechen jeweils den gleichen Verfahren, sind allerdings leicht unterschiedlich implementiert. Im Vergleich zum strukturierten Löser ist der unstrukturierte Löser nicht so robust und stabil. Während am strukturierten Löser schon mehr als zwei Jahrzehnte entwickelt wird, laufen die Arbeiten am unstrukturierten Modul noch nicht so lange. In verschiedenen Projekten laufen Entwicklungen, mit deren Hilfe die Lücke zwischen dem strukturierten und unstrukturierten Löser verkleinert werden soll.
Bei komplexeren Konfigurationen kann es dazu kommen, dass an der Grenzfläche zwischen zwei Netzblöcken die Zellen nicht exakt zueinander passen. Um die Kopplung jedoch zu ermöglichen, muss ein geeigneter Algorithmus verwendet werden. Dieser Algorithmus muss konservativ, von höherer Ordnung genau und unabhängig von der Netztopologie sein.
Unstrukturierte Lösungsalgorithmen
Durch die Integration von Kavitäten (OAS, Deckbandrückschnitte, Bleeds, Cooling) in den täglichen Designprozess müssen auch Bereiche unstrukturiert vernetzt und berechnet werden können. Das Ziel ist es, die Hauptpassage strukturiert und die Nebenräume unstrukturiert zu vernetzen. Über das zonale Interface sollen die einzelnen Teile konservativ und zweiter Ordnung genau gekoppelt werden. Dies soll automatisiert vom CAD bis zur CFD im Design verfügbar gemacht werden.
Die Strategie eines hybriden Lösers vereinigt viele Vorteile, denn der Aufwand für die Erweiterung und Implementierung von Modellen ist im Vergleich zu zwei eigenständigen Lösern bedeutend kleiner. Da die Gleichungen sich abstrakt als Differentialgleichungen mit konvektiven und diffusiven Termen sowie Quelltermen beschreiben lassen, lassen sich die konvektiven und diffusiven Terme grundlegend implementieren, so dass für neue Modelle lediglich der Quellterm diskretisiert werden muss. In der strukturierten und unstrukturierten räumlichen Diskretisierung werden daher unterschiedliche Algorithmen nur bei der Bestimmung von Ableitungen und Gradienten konzeptionsbedingt genutzt. Alle weiteren Funktionen werden von beiden Teilen gemeinsam genutzt (punktlokale Berechnungen, Randbedingungen, Zeitdiskretisierung, Turbulenz- und Transitionsmodellierung, etc.). Zur Lösung des impliziten Gleichungssystems wird zwar das gleiche Verfahren benutzt, allerdings ist die Implementierung leicht unterschiedlich. Mit dem Konzept des hybriden Lösers lassen sich auf hervorragende Weise die Vorteile beider Welten miteinander verknüpfen, die schnellere Berechnung auf strukturierten Netzen und die flexiblere Vernetzung mit unstrukturierten Gittern in geometrisch zerklüfteten Nebengeometrien.
Aufgrund des späteren Entwicklungsbeginns bietet das unstrukturierte Verfahren zurzeit noch nicht mit dem strukturierten Verfahren vergleichbare Robustheit und Schnelligkeit. Zum Einsatz im Design muss jedoch gewährleistet sein, dass Standardrechnungen mit einem eingestellten Setup bis zur Konvergenz durchrechnen. Im Designprozess sollen Nebenräume aller Art unstrukturiert mit dem Hauptkanal verbunden werden und robust und schnell konvergieren, vergleichbar wie rein strukturierte Rechnungen ohne die Berücksichtigung der Nebenräume. Konzeptionsbedingt sind unstrukturierte Verfahren aufgrund der indirekten Adressierung auf modernen Prozessorarchitekturen langsamer. Dies soll durch Integration des impliziten Runge-Kutta Verfahrens mit Fehlerabschätzung und Zeitschrittweitensteuerung für den instationären Löser analog zum strukturierten Modus beschleunigt werden, zudem soll eine Diagonalisierung des Gleichungssystems (Reverse Cuthill McKee) eine Steigerung der Robustheit und Beschleunigung ermöglichen.
Anhand mehrstufiger Turbinen mit Kavitäten sollen die Entwicklungen validiert werden. Dazu werden die Konfigurationen komplett strukturiert, unstrukturiert auf dem strukturierten Netz, komplett unstrukturiert auf unstrukturiertem Netz und hybrid berechnet. Die Abweichungen der Rechnungen untereinander in wichtigen Gesamtgrößen sowie Verteilungen werden als zulässige Größen für die Abnahme definiert.