Die Arbeitsgruppe Numerische Simulation betreibt am Fachgebiet einen Rechencluster zur Durchführung numerischer Berechnungen. Die insgesamt zur Verfügung stehende Rechenkapazität beträgt:

● 300+ Rechenkerne

● 2+ TB Arbeitsspeicher

Der Cluster ist modular aufgebaut und erlaubt somit die Einrichtung getrennter Bereiche zur Bearbeitung verschiedener Projekte. Des Weiteren besteht ein Zugang zum Lichtenberg-Hochleistungsrechner der TU Darmstadt.

Für Simulationen zur Durchführung der Forschungsvorhaben und der Lehrveranstaltungen am Fachgebiet werden die folgenden Programme eingesetzt:

● CFD/FEM Programmsystem ANSYS

● Vernetzungssoftware CENTAUR

● PRECIS-UNS (in Kooperation mit Rolls-Royce)

Einfluss von Brennkammer Instationaritäten

Neuartige, emissionsarme Brennkammertechnologien zeichnen sich durch starken Drall, Temperaturungleichförmigkeiten und hohe Turbulenzgrade am Austritt aus. Diese Strömungsphänomene belasten die stromabwärts gelegene Hochdruckturbine thermisch wie mechanisch extrem und beeinflussen Wirkungsgrad sowie Lebensdauer negativ. Um diese komplexen Interaktionsmechanismen zu verstehen, reicht eine rein stationäre Betrachtung nicht aus. Im Rahmen dieses Projekts werden daher instationäre, skalenauflösende Simulationen durchgeführt. Durch das Aufprägen zeitlich variierender Randbedingungen an der Brennkammer-Turbine-Schnittstelle werden die hochfrequenten Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsschwankungen erstmals realitätsgetreu abgebildet.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 3, Luftfahrtforschungsprogramm 6 (LuFo 6) Tranche 2

Verbesserte Wärmeübergangsvorhersage durch Machine Learning Methoden

Die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades moderner Triebwerke führt zu immer höheren Turbineneintrittstemperaturen. Um die daraus resultierende extreme thermische Belastung zu beherrschen, ist eine hocheffiziente Kühlung der Turbinenschaufeln essenziell. Klassische RANS-Turbulenzmodelle stoßen bei der Vorhersage des komplexen Wärmeübergangs gekühlter Schaufeln jedoch an ihre Grenzen. In diesem Forschungsvorhaben werden datengestützte Machine-Learning-Methoden auf Basis hochgenauer LES-Simulationen trainiert, um die Vorhersagegenauigkeit von RANS-Modellen signifikant zu verbessern. Das Ziel ist eine schnelle, numerische Methode, die bereits in frühen Entwicklungsphasen die Gestaltung robusterer und effizienterer Kühlungsdesigns erlaubt.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 6 (LuFo 6) Tranche 1

Verdichter-Brennkammer-Turbine-Interaktion

Für die emissionsarme Luftfahrt der Zukunft müssen Triebwerke nicht nur effizienter werden, sondern auch bei unerwarteten Störungen bzw. Veränderungen ein robustes Betriebsverhalten aufweisen. Dafür ist ein ganzheitliches Verständnis der Interaktionsmechanismen zwischen den einzelnen Triebwerkskomponenten unerlässlich. Dieses Vorhaben untersucht mithilfe statistischer Methoden zur Unbestimmtheitsquantifizierung, wie aerodynamische Störungen am Verdichteraustritt durch die Brennkammer hindurchtransportiert werden und die Strömungsprofile am Turbineneintritt verändern. Durch die detaillierte Analyse dieser Kopplungsmechanismen werden Strömungsphänomene isoliert, um künftige Brennkammerdesigns unempfindlicher gegen Eintrittsstörungen zu gestalten.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 6 (LuFo 6) Tranche 2

Synthetische Brennkammer Instationaritäten für skalenauflösende Simulationen

Das Verständnis hochkomplexer Strömungsphänomene in Turbomaschinen erfordert hochauflösende, skalenauflösende Simulationen. Die größte Herausforderung dieser Rechenverfahren liegt in der Bereitstellung passender Randbedingungen am Strömungseintritt. Skalenauflösende Modelle benötigen zwingend einen instationären numerischen Trigger, um die turbulente Ausmischung physikalisch korrekt anzustoßen. Fehlt diese Instationarität, verhält sich die berechnete Strömung zunächst fälschlicherweise laminar – im drastischen Widerspruch zur hochgradig turbulenten Realität am Brennkammeraustritt. Da zeitaufgelöste Daten für die Randbedingungen meist nicht vorliegen, werden in diesem Projekt Methoden entwickelt, die, synthetische Instationaritäten erzeugen und dabei die statistischen Merkmale der realen Turbulenz exakt abbilden.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 6 (LuFo 6) Tranche 2

Numerische Thermalvorhersage von Turbinenschaufeln

Für die Auslegung moderner Hochdruckturbinenschaufeln ist eine numerische Validierung des Kühlluftdesigns erforderlich, um auf der einen Seite zu gewährleisten, dass die thermische Belastbarkeit des Schaufelmaterials an keiner Stelle überschritten wird und um auf der anderen Seite keine Wirkungsgradeinbußen durch nicht benötigte Kühlluft zu riskieren. Da konventionelle Methoden zur Ermittlung des Wärmeübergangs an den Schaufelwänden auf reiner Strömungssimulation basieren, wird die thermische Rückkopplung zwischen Struktur und Strömung vernachlässigt. Aus diesem Grund kommen konjugierte Wärmeübertragungsrechnungen zum Einsatz, die die strömungsseitige Thermalvorhersage mit der Wärmeleitung in der Struktur koppeln. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens sollen die physikalischen Vorgänge dieser Fluid-Struktur Interaktion erforscht und verstanden werden, um durch den Aufbau numerischer Modelle das Potential konjugierter Rechnungen in Hinsicht auf die Unsicherheiten bisheriger Auslegungsprozesse zu ermitteln.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 2

Brennkammer-Turbinen-Interaktion mit pulsierenden Verbrennungszyklen

Die Komponentenwirkungsgrade von Triebwerkskomponenten nähern sich stetig technologisch bedingten Grenzen an. Höhere Wirkungsgradklassen lassen sich nur durch die Einführung neuartiger, revolutionärer Technologien erreichen, welche im Verbundvorhaben TREVAP analysiert werden. Dabei werden bisher nicht näher betrachtete technische Lösungen für zukünftige Turboflugtriebwerke mit neuartigen Kreisprozessen, die durch pulsierende Verbrennungszyklen charakterisiert sind, untersucht und bewertet. Vor allem drucksteigernde Verbrennungskonzepte nehmen in diesem Forschungsvorhaben eine besondere Rolle ein.

Im Zusammenhang mit drucksteigernden Verbrennungsmethoden, sind zwei technologische Konzepte hervorzuheben: Pulsed Detonation Engines (PDE), die auf einem Druckaufbau durch detonationsartige Verbrennungsprozesse basieren und Wave Rotor Combustion Rigs (WRCR), bei denen rotierende Brennräume periodisch Heißgas an die Turbine abgeben. Beide Konzepte haben eine instationäre aero-thermale Beaufschlagung der stromab liegenden Turbine zur Folge. Die Auswirkungen auf die Aerodynamik konventioneller Turbinen sind hierbei noch weitgehend unerforscht.

Der Verbundpartner TU Darmstadt, bzw. das Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe, verfolgt innerhalb von TREVAP unter anderem das Ziel, die Auswirkung instationärer Einströmrandbedingungen auf die Verlustmechanismen in Turbinenstufen zu analysieren. Dabei sollen prinzipielle Schwachstellen und Potenziale aktueller Turbinengeometrien vor dem Hintergrund instationärer Zuströmung aufzeigt werden. Im Fokus stehen hierbei auch die Auswirkung auf die thermale Auslegung und das Kühlkonzept der Turbine.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 2

Verdichteraeroelastik

Der Verdichter ist in einem modernen Triebwerk für ungefähr 50% des Gewichts verantwortlich und nimmt ca. 50% des Bauraums ein. Die Gewichtsreduktion ist daher ein zentrales Ziel in der Entwicklung fortschrittlicher Triebwerksverdichter. Aus diesem Grund ergeben sich die folgenden Designtrends:

• Aerodynamisch hoch belastete Schaufeln zur Reduktion der Stufenanzahl bzw. der Schaufelanzahl.

• BLISK-Bauweise für Verdichterrotoren (Schaufeln und Scheibe sind als ein integrales Bauteil ausgeführt)

Aufgrund der hohen aerodynamische Belastung und des Wegfalls von Reibungsflächen durch BLISK-Bauweise ergibt sich eine erhöhte Schwingungsanfälligkeit des Verdichters. Besonders kritisch sind dabei selbsterregte Schaufelschwingungen, da sie unerwartet aus einer Interaktion der Schaufelvibration mit der Strömung entstehen können. Dabei haben sie das Potenzial in kürzester Zeit hohe Schwingungsamplituden hervorzurufen, was im Extremfall zu einem mechanischen Versagen der Schaufeln führt.

Am Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe werden aus diesem Grund neueste Simulationswerkzeuge zur Forschung im Bereich Verdichteraeroelastik eingesetzt. Die Untersuchungen finden in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Arbeiten am Fachgebiet statt. Ziele der Vorhaben sind:

• Verständnis von Mechanismen welche zum Entstehen selbsterregter Schaufelschwinungen führen.

• Untersuchung von Maßnahmen zur aeroelastischen Stabilisierung.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5)