Bisherige Forschungsprojekte

Numerische Strömungssimulation am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen

Gegenstand der Forschung am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (IST) ist die Untersuchung von stationären und instationären Strömungs- und Interaktionsphänomenen in Turbomaschinenkomponenten. Neben den experimentellen Untersuchungen beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe auch mit der numerischen Berechnung solcher Phänomene. Hierzu ist in mehrjähriger Forschungsarbeit ein effizientes Programmsystem entwickelt worden, das aus dem Navier-Stokes-Löser PANTA, dem Netzgenerator FRAME sowie dem Postprozessor TREAT besteht.

Programmsystem zur numerischen Strömungssimulation
Programmsystem zur numerischen Strömungssimulation

PANTA

3D-Navier-Stokes-Verfahren für die zeitgenaue Simulation von Strömungsphänomenen in Turbomaschinenkomponenten. Der Strömungslöser ist modular aufgebaut und bietet sowohl die Möglichkeit der Parallelisierung auf Workstation-Clustern als auch auf Shared-Memory-Rechnerarchitekturen. Die Verwendung von Fortran sowie von standardisierten Kommunikationsbibliotheken (MPI) zur Parallelisierung ermöglicht ein hohes Maß an Flexibilität und Effizienz. Das Lösungsverfahren (Godunov-Typ Verfahren (Roe, AUSM)) ist speziell für sub- und transsonische Strömungen geeignet, wobei die untere Grenze bei einer Machzahl von 0.3 liegt. Die zeitliche Diskretisierung der Differentialgleichungen erfolgt implizit, ermöglicht somit große Zeitschritte und daher eine schnelle Konvergenz des Lösungsverfahrens. Die räumliche Diskretisierung ist in Form finiter Volumen in zellzentrierter Formulierung realisiert. Zur Lösung der Gleichungssysteme sind verschiedene iterative Verfahren (Gauss-Seidel, GMRES) in das Verfahren implementiert. Zur Berücksichtigung turbulenter und transitionaler Strömungsphänomene sind verschiedene Turbulenz- bzw. Transitionsmodelle als Module verfügbar. Desweiteren gibt es jeweils ein Modul für die zeitgenaue Berechnung der Rotor-Stator-Interaktion sowie für die Berechnung von Schaufelflattern.

  • zeitgenaue 2D-, 3D-Berechnungen
  • Euler, Navier-Stokes-Berechnungen
  • Turbulenzmodellierung:

    • Baldwin-Lomax
    • Low-Re-Number-k-Epsilon-Modelle (Chien, Biswas&Fukuyama)
    • algebraisches Reynoldsspannungsmodell

  • Transitionsmodellierung:

    • Solomon, Walker & Gostellow
    • Abu-Ghannam & Shaw
    • Mayle

Rotor-Stator-Interaktion

Das Modul für die Rotor-Stator-Interaktion erlaubt die zeitgenaue, dreidimensionale Berechnung der Strömung zwischen einzelnen oder mehreren Schaufelreihen. Durch die Verwendung sogenannter chorochronischer Randbedingungen an den periodischen Rändern kann die Strömungsberechnung auf einen Schaufelkanal reduziert werden, sofern die Anzahl zu berechnender Schaufelzahlverhältnisse nicht größer als eins ist.

Die nachfolgende Abbildung zeigt eine solche zeitgenaue, dreidimensionale Berechnung einer 1½-stufigen Kaltluft-Axialturbine. Da für die beiden Statoren eine gleiche Schaufelzahl vorliegt, konnte eine effiziente dreidimensionale Berechnung aller drei Schaufelreihen realisiert werden.

Entropieverlauf in einer 1½-stufigen Kaltluft-Axialturbine
Entropieverlauf in einer 1½-stufigen Kaltluft-Axialturbine

Schaufelflattern

Das Modul für das Schaufelflattern ermöglicht die zeitgenaue, dreidimensionale Berechnung dieses instationären Strömungsphänomens sowohl im Influence Mode (Berechnung auf mehreren Schaufelkanälen mit einer schwingenden Schaufel) als auch im Travelling Wave Mode (Berechnung auf einem Schaufelkanal mit phasenversetzten, periodischen Rändern). Die nachfolgende Abbildung illustriert eine solche zeitgenaue, dreidimensionale Berechnung eines Verdichter-Rotors im Travelling Wave Mode. Da die Berechnung nur auf einem Schaufelkanal erfolgt, sind in Umfangsrichtung die entsprechend phasenversetzten Druckverteilungen für die einzelnen Schaufelprofile dargestellt worden.

Druckverteilung auf den Schaufeln eines Verdichter-Rotors
Druckverteilung auf den Schaufeln eines Verdichter-Rotors

FRAME

Elliptisches Netzgenerierungsverfahren mit der Möglichkeit zur lokalen Netzverdichtung. Der Netzgenerator ist speziell auf die Anforderungen turbomaschinenspezifischer Geometrien zugeschnitten und ermöglicht eine schnelle und flexible Vernetzung solcher Geometrien.

  • axiale, radiale Turbomaschinengeometrien
  • 2D-, 3D-Netze
  • ebene, zylindrische Netze
  • H-, C-, O-Netztypen
  • blockstrukturierte Netze mit Spaltvernetzung

TREAT

Postprocessing Programm, das die Geometriedaten von FRAME und die konservativen Strömungsdaten von PANTA für den Anwender aufbereitet. Da die Ausgabe der Daten modular aufgebaut ist, kann das Datenformat flexibel an die Anforderungen von kommerziellen und frei verfügbaren Visualisierungsprogrammen angepaßt werden. Neben der eigentlichen Berechnung von Strömungsgrößen können mit TREAT für den Fall instationärer Berechnungen auch zeitabhängige Verläufe bzw. Verteilungen von Strömungsgrößen in Form von einzelnen Plots oder Filmen erzeugt werden.

Neben den institutseigenen Workstations (HP, INTEL) stehen durch die enge Zusammenarbeit mit dem Rechenzentrum der RWTH Aachen ausreichende Rechenkapazitäten auch für größte Simulationsberechnungen zur Verfügung. Neben dem Vektor-Parallel-Rechner (VPP300) gibt es zur Parallelisierung mehrere Shared-Memory-Maschinen (SGI, HP) sowie einen homogenen Workstation-Cluster (SUN).