DLR - Institut für Test und Simulation für Gasturbinen - Virtuelles Triebwerk und Numerische Methoden

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Virtuelles Triebwerk und numerische Methoden (VTM)

Multiphysik und Mehrskalen-Modellierung (MMM)

In Gasturbinen verwendete Materialien sind extremen Bedingungen – wie zyklische mechanische Belastungen, hohe Temperaturen und Verbrennungsabgase – ausgesetzt. Jahrzehnte lange Forschung nach neuen und fortschrittlichen Materialien hat Titanaluminide (TiAl) und faserverstärkte Keramiken (CMC) als leichte Werkstoffe der nächsten Generation hervorgebracht. Um TiAl und CMC korrekt auszulegen ist eine genaue Berechnung der Lebensdauer unter gekoppelten multiphysikalischen Belastungen notwendig. In dieser Gruppe werden neue theoretische und numerische Methoden entwickelt welche Verformungsmechanismen vom Kornniveau bis hin zu Bauteilgröße mit gleichzeitig auftretender hoher Temperatur und Korrosion koppeln. Die Methodenentwicklung mündet in einem hochparallelisierten finite Elemente Solver, welcher im Institut entwickelt und gepflegt wird.

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Skalenauflösende Strömungssimulation (SRS)

Skalenauflösende Strömungssimulationen – ermöglicht durch steigende Hardware Leistung – gewinnen zunehmend an Interesse in der Berechnung von Triebwerkskomponenten. Die Herausforderungen liegen unter anderem in der örtlichen sowie zeitlichen Diskretisierung, den Randbedingungen, dem Postprocessing mit großen Datenmengen und der Validierung von niederskaligen Ergebnissen.

Die Gruppe Skalenauflösende CFD ist daher an der Weiterentwicklung des DLR eigenen Codes TRACE beteiligt, wobei der Fokus auf neuen skalenauflösenden Methoden wie Large Eddy Simulation (LES) und hybriden RANS-LES Ansätzen liegt. Hierbei kommen etablierte Finite Volumen Verfahren sowie eigenentwickelte Discontinuous Galerkin Verfahren zum Einsatz.

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Numerische Lebensdauermethoden (NLM)

Komplexe Bauteile in Gasturbinen und Triebwerke müssen extreme Betriebsbedingungen über sehr lange Lebensdauern ertragen können. Herstellungs- und betriebsbedingt sind sowohl die Geometrie, die Materialeigenschaften als auch die Betriebslasten mit Streuungen und Unsicherheiten behaftet. In der Folge weisen solche Bauteile keine deterministische Lebensdauer mehr auf, sondern es ergibt sich eine Lebensdauerverteilung. Zur Berechnung der Lebensdauerverteilung und zur Quantifizierung der Zuverlässigkeit der Bauteile werden stochastische Methoden auf der Basis semi-analytischer Verfahren entwickelt, mit denen auch die für Gasturbinen und Triebwerke erforderlichen sehr kleinen Ausfallwahrscheinlichkeiten effizient berechnet werden können.

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Virtuelle Triebwerksplattform (VTP)

Die Gruppe Virtuelle Triebwerks Plattform vereint alle numerischen Methoden in einer Plattform – dem virtuellen Triebwerk. Diese Plattform bietet die Möglichkeit der Optimierung von Triebwerkskomponenten und –bauteilen bis hin zu ganzen Triebwerken auf Basis von gekoppelten Simulationen (Strukturmechanik- Strömungsmechanik-Thermodynamik-Aeroelastik). Die verwendeten Methoden können dabei nicht zentral in einer Methode zusammengefasst werden. Im virtuellen Triebwerk werden sie über Schnittstellen zu einer Einheit verbunden und bilden so einen digitalen Zwilling von Triebwerken, mit welchem es möglich ist die üblichen Key Performance Parameter eines Triebwerkes, z.B. Leistung, Gewicht, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Zuverlässigkeit, genau zu berechnen.

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Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Stefan Reh
Gründungsdirektor
Institut für Test und Simulation für Gasturbinen, Institutsleitung
Augsburg