Motivation
Hinsichtlich des technischen Designs von hydraulischen Strömungsmaschinen ist die numerische Strömungsfeldsimulation (CFD) ein wichtiges Verfahren mit stets wachsender Bedeutung. Das Ziel ist, eine Strömungsmaschine ohne aufwendige und kostspielige Versuchseinrichtungen schnell und effizient zu entwerfen und zu simulieren. Die erhaltenen Ergebnisse können im Hinblick auf unterschiedlichste Parameter ausgewertet und so ein optimiertes Design entworfen werden. Durch die Verwendung eines automatisierten Designsystems mit integrierten Arbeitsabläufen wird der Optimierungsprozess unterstützt.
Designprozess
Das Design einer Turbine ist individuell abhängig von den am Aufstellort vorliegenden Bedingungen. Aufgrund dieser Randbedingungen kann mit Hilfe analytischer Abschätzungen und Erfahrungswerte ein erstes Modell erstellt werden. Im Designsystem kann auch automatisch eine bestehende Variante nachgebaut werden. Durch die integrierte Erstellung des Rechengitters zur Durchführung der Simulation lässt sich eine erhebliche Zeitersparnis im Entwicklungsprozess erreichen. Die folgende Simulation kann mittels verschiedener Löser durchgeführt werden.
Bei der anschließenden Auswertung kommt neben numerischen Methoden auch die VirtualReality-Umgebung COVISE zum Einsatz. Durch die Darstellung der Geometrie mit den Simulationsergebnissen erhält der Bediener ein direktes visuelles Feedback und kann dadurch die Parameter mit Optimierungspotenzial identifizieren und intuitiv anpassen. Zur besseren Veranschaulichung ist zusätzlich eine Ausgabe in 3D möglich. Am Höchstleistungsrechenzentrum (HLRS) steht hierfür eine 5-Wände CAVE zur Verfügung.
Mit dieser Methodik lassen sich die verschiedenen Komponenten einer Turbine optimieren. So kann beispielsweise am Laufrad durch Anpassung verschiedener Geometrieparameter die Umströmung der Schaufel und Abströmung in das Saugrohr optimiert werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad verbessert und Materialschädigung durch Vermeidung von Kavitationserscheinungen unterbunden. Darüber hinaus kann das Designsystem ohne grafische Oberfläche betrieben werden um automatische Optimierungen durchzuführen. Es werden Varianten automatisch generiert, vernetzt, berechnet und evaluiert, sodass ohne manuelle Interaktion eine Maschine verbessert wird.
Numerische Simulation von Strömungsmaschinen
Die numerische Simulation einer Turbine ergibt den Verlauf der Geschwindigkeit und des Druckes im Inneren der Maschine. An vorher definierten Punkten des Rechengitters werden die Unbekannten berechnet und hieraus ein Gesamtverlauf approximiert. Eine Parametrisierung der gesamten Anlage bestehend aus Leitrad, Laufrad und Saugrohr ergibt sehr viele Freiheitsgrade. Der Zusammenhang zwischen Freiheitsgrad und Ursache auf das Strömungsfeld bzw. Maschineneigenschaft ist meist nicht bekannt. Unter Verwendung von Sensitivitäts- bzw. Hauptkomponentenanalysen werden derartige Zusammenhänge genauer untersucht und bestehende Modelle reduziert.
Die automatisierte Optimierung und Sensitivitätsanalyse erfordert die Berechnung von sehr vielen und stark unterschiedlichen geometrischen Varianten. Ein hybrides Berechnungsgitter aus Tetraedern, Hexaedern und Pyramiden verbessert die Robustheit des Prozesses. Im Hinblick auf Erweiterbarkeit ist das Designsystem in C++ programmiert und basiert auf objekt-orientierten Paradigmen. Es werden vorwiegend quelloffene Bibliotheken zur Geometrieerzeugung, Simulation, Vernetzung und Auswertung eingesetzt.
