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Studien-/ Abschlussarbeit

Implementierung und Untersuchung von Roe-Schemen für Low-Mach Simulationen

Beginn

1. Oktober 2022

Dauer

6 Monate

Vergütung

bis Entgeltgruppe 5 TVöD

Beschäftigungsgrad

Teilzeit

Die Forschungsarbeiten am Institut für Antriebstechnik des DLR sind darauf ausgerichtet die vorhandenen Potentiale zur Verbesserung der Gasturbine für Luftfahrt und Kraftwerk zu erschließen. Die Abteilung „Numerische Methoden“ des Instituts ist für die Entwicklung des institutseigenen CFD Verfahrens TRACE verantwortlich. Das Verfahren wird seit 1989 kontinuierlich weiterentwickelt und wird sowohl in der Forschung als auch im industriellen Designprozess eingesetzt (MTU Aero Engines, Siemens Energy).

Die Strömung in Turbomaschinen ist dominiert von hohen Machzahlen. Um jedoch die Eigenschaften einer Maschine exakt vorherzusagen, müssen Sekundärsysteme in den Simulationen mitbetrachtet werden, wie z.B. Kühlsysteme und Labyrinthdichtungen. In diesen Teilen der Maschine können sehr geringe Machzahlen auftreten. Löser für kompressible Strömungen wie TRACE eignen sich hervorragend zur Simulation von hohen Machzahlen. Allerdings verschlechtert sich deren Lösungsqualität bei einer Machzahl unter 0.2.

In TRACE erfolgt die Diskretisierung der konvektiven Flüsse mit dem Roe-Schema. In dessen numerischer Flussfunktion wird die künstliche Dissipation durch eine Modifikation der Eigenwerte im Dämpfungsanteil gesteuert. Dieser Dämpfungsanteil verhindert die Entropieabnahme an Diskontinuitäten zur Einhaltung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Das Roe-Schema wurde für transsonische Simulationen ausgelegt und skaliert schlecht im Low-Mach Bereich. Dies führt zu einer exzessiven künstlichen Dissipation und zu unphysikalischen Lösungen.

In TRACE wurde das Roe-Schema für den Low-Mach Bereich präkonditioniert, wodurch die künstliche Dissipation reduziert und die Qualität der Lösung verbessert wird. Die reduzierte Dissipation kann aber auch zu Stabilitätsproblemen führen. In den letzten Jahren wurden in der Literatur viele alternative Methoden zu Verbesserung des Roe-Schemas vorgeschlagen. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es alternative Low-Mach Anpassungen für das Roe-Schema zu implementieren und diese in Bezug auf deren Lösungsqualität und Stabilität zu untersuchen.

Folgende Arbeitspunkte werden im Rahmen der Arbeit zu bearbeiten sein:

  • Einarbeitung in die Thematik von numerischen Strömungssimulationen mit Fokus auf die Problematik von Low-Mach Simulationen
  • Einarbeitung in den Strömungslöser TRACE
  • Literaturstudie zu Methoden zur Verbesserung der Lösungsqualität im Low-Mach Bereich
  • Implementierung ausgewählter Methoden in TRACE
  • Durchführung von Simulationen (Akademische Testfälle und ein Turbomaschinentestfall) mit den neuen Methoden und Vergleich mit der bestehenden Methode
  • Analyse der Ergebnisse und Bewertung der Methoden

Ihre Qualifikation:

  • laufendes Masterstudium in einem der oben genannten Fachbereiche
  • Grundkenntnisse im Bereich Strömungssimulation
  • Grundkenntnisse in den Programmiersprachen C und Python
  • Motivation zur Lösung komplexer Problemstellungen
  • selbstständiges und eigenverantwortliches, sowie team-orientiertes Arbeiten
  • Erfahrung mit Linux (Shell) erwünscht
  • Erfahrungen im Bereich Turbomaschinenströmungen sind wünschenswert

Ihr Start:

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Fachliche/r Ansprechpartner/in

Herr Pierre Sivel
Institut für Antriebstechnik

Tel.: +49 2203 601-5262

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