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

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Virtuelles Triebwerk und numerische Methoden (VTM)

Computergestützte Multiphysik (CMP)

Der menschengemachte Klimawandel stellt uns vor die große Herausforderung, in der Luftfahrt klimaneutral zu werden auch die Gruppe Computergestützte Multiphysik (CMP) trägt zur DLR-Vision des emissionsfreien Fliegens bei. Bisheriger und ein eher kurzfristiger Ansatz ist es, die Treibhausgasemissionen durch Wirkungsgradverbesserungen und damit Kraftstoffeinsparung zu minimieren. Dies kann durch Erhöhung der Triebwerkstemperatur und -drücke erreicht werden, wodurch die Bauteile deutlich höheren Belastungen ausgesetzt sind. Hierfür wird auch am Einsatz neuer Werkstoffe gearbeitet, dazu zählen z. B. Titanaluminide (TiAl) sowie faserverstärkte Keramikwerkstoffe (CMCs). Neben dem bisherigen Vorgehen der Wirkungsgradverbesserung wird bei Verbrennungstriebwerken inzwischen vor allem der Umstieg auf nachhaltige Kraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, kurz SAFs) und Wasserstoffverbrennung verfolgt. Diese Triebwerksentwicklungen verändern auch die Lebensdauerberechnung von Triebwerksbauteilen, die mechanischen, thermischen und korrosiven Einflüssen unterliegen und das Forschungsziel der Gruppe CMP darstellen.

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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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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
Kommissarischer Institutsdirektor
Institut für Test und Simulation für Gasturbinen, Institutsleitung
Augsburg