Numerische Methoden
Simulationen und Simulationswerkzeuge sind heutzutage ein fester Bestandteil im Arbeitsalltag von Ingenieurinnen und Ingenieuren zur Untersuchung komplexer physikalischer Problemstellungen. Für eine optimale Lösung der oftmals interdisziplinären Anforderungen sind in der Regel komplexe Simulationen erforderlich.
Das Institut für Strahlantriebe hat sich in den vergangenen Jahrzehnten durch Forschungsvorhaben zu Optimierungs- oder Modellierungs-Fragestellungen ein umfangreiches Wissen erarbeitet. In den meisten Fällen wurden zu den theoretischen Arbeiten begleitende Experimente durchgeführt, die entweder einer Validierung oder einer Kalibrierung der verwendeten Methodik dienten. Die hierbei gesammelten umfangreichen Erfahrungen dienen als Datenbasis und kommen neuen Forschungsvorhaben zu Gute.
Strömungssimulation
Grundsätzlich stehen dem Institut verschiedene Simulationsprogramme zur Verfügung. Für (in)stationäre 2D- oder 3D-Simulationen werden die Programme
- ANSYS CFX, ANSYS FLUENT
- NUMECA FINETM/Turbo
- TRACE (German Aerospace Center)
- PyFR
- PyMesh
- Gmsh
- Tecplot
- Paraview
genutzt. Darüber hinaus werden für Vorauslegungen auch das 2D-Verfahren MISES sowie entsprechende Eigenentwicklungen genutzt. Der Einsatz der verwendeten Simulations-Software richtet sich nach den Zielen des jeweiligen Forschungsvorhabens und wird mit den involvierten Projektpartnern abgestimmt.
Zur schnellen Durchführung der Simulationen steht dem Institut ein eigner Cluster mit über 630 Kernen zur Verfügung. Weiterhin ist das Institut berechtigt, innerhalb von CLAIX und JARA Rechenzeiten für große Untersuchungen zu beantragen.
Performance-Rechnung
Das Thema Triebwerksleistungsrechnung wird am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen seit dem Jahr 2013 intensiv verfolgt. Dies umfasst die Entwicklung von Vorauslegungs- und Leistungsrechnungsverfahren von Flugzeugantrieben und stationären Gasturbinen sowie die Anwendung auf neue Triebwerkskonzepte. Weiterhin wird die GasTurb-Programmumgebung in Kooperation mit der GasTurb GmbH kontinuierlich weiterentwickelt und aus Aachen in die ganze Welt vertrieben.
Im Rahmen verschiedener Projekte wird die GasTurb-Software durch die Triebwerksperformance-Gruppe zur Berechnung und Auslegung von Triebwerkskreisprozessen verwendet. Neben den klassischen Luftstrahltriebwerken werden in neueren Forschungsprojekten auch Konzepte elektrischer und elektrohybrider Antriebssysteme von Flugzeugen untersucht.
Der Fokus liegt innerhalb dieser Projekte einerseits auf der Herstellung einer objektiven Bewertungsfähigkeit und der Überprüfung der Realisierbarkeit elektrohybrider Konzepte, welche zum Beispiel durch das spezifische Leistungsgewicht der elektrischen Komponenten beschränkt wird. Andererseits wird in den Forschungsprojekten die Sinnhaftigkeit der Umsetzung der neuartigen Antriebs- und Triebwerkskonzepte, etwa zur Reduzierung des Brennstoffverbrauchs, unter Berücksichtigung flugzeugintegrativer Aspekte untersucht.
Finite Elemente Methode
Strukturmechanik
Zur strukturmechanischen Bewertung von Verdichter- und Turbinenschaufeln werden am Institut Finite Elemente Methoden (FEM) benutzt. Insbesondere Laufschaufeln sind während des Betriebs einer Vielzahl an Lasten ausgesetzt. Mittels statisch-mechanischer Verfahren können die durch Flieh- und Gaskräfte hervorgerufenen Spannungen ermitteln werden. Durch komplexe Anregungsmechanismen sind Turbomaschinenschaufeln besonders Schwingbeanspruchungen ausgesetzt.
Um das Resonanzbild abschätzen zu können, werden deshalb die Eigenfrequenzen und -formen mittels numerischer Modalanalysen ermittelt. Damit lassen sich im sogenannten Campbell-Diagramm mögliche Resonanzsituation im Betrieb leicht identifizieren. Weiterhin werden die berechneten Eigenformen für gekoppelte Aeroelastiksimulationen verwendet, um den Einfluss der Schaufelschwingung auf die instationäre Umströmung der Schaufel zu bewerten. Dies ermöglicht es die im Betrieb auftretenden Schwingspannungen abzuschätzen und gegebenenfalls Designänderungen frühzeitig zu anzugehen.
Wärmeübertragung
Weiterhin wird die Methode der Finiten Elemente am Institut für die Berechnung von Temperaturverteilungen bei luftgekühlten Turbinenschaufeln angewandt. Durch hohe Temperaturen in der Brennkammer sind besonders die ersten Stufen einer Hochdruckturbine Temperaturen weit über der Schmelztemperatur des Schaufelwerkstoffes ausgesetzt. Eine genaue Berechnung der Temperaturverteilungen im Betrieb ist deshalb von besonderer Bedeutung.
Systemsimulation
Bei der Bewertung und Optimierung komplexe Systeme, wie zum Beispiel ein hybridelektrisches Antriebssystem für ein Kleinflugzeug, werden numerische Ersatzmodelle benötigt, da die analytischen Werkzeuge mit zunehmender Systemkomplexität schnell an ihre Grenzen kommen. Für solche Anwendungen eignen sich Systemsimulationen.
Wenn sich zusätzlich die Teilsysteme gegenseitig beeinflussen, müssen die numerischen Ersatzmodelle in einem Gesamtmodell gekoppelt werden. Der Einsatz von 2D- oder gar 3D-Werkzeugen wie beispielsweise CFD-Simulationen führt bei diesen gekoppelten Systemen zu einem sehr hohen Rechenaufwand. Zudem liegen während früher Entwicklungsphasen oftmals noch keine 3D-CAD-Geometrien vor.
Die Anwendung von Systemsimulationen unterstützt den hochiterativen Entwicklungs- und Optimierungsprozess, indem komplexe Phänomene über 0D- oder 1D-Ersatzmodelle approximiert werden. Dadurch kann eine ausreichende physikalische Genauigkeit bei kurzen Rechenzeiten erreicht werden.
Am IST werden verschiedene bekannte 1D-Simulationswerkzeuge wie z.B. Simulink und Amesim eingesetzt. Mögliche Anwendungsfälle sind die Optimierung von thermischen, elektrischen, rotordynamischen oder hydraulischen Systemen, wie sie in einer Vielzahl von Prüfständen eingesetzt oder Forschungsprojekten ausgelegt und optimiert werden.