turboSPH – Turbomaschinen und SPH

Der SPH-Code turboSPH ist ein schwach kompressibler Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Code, der am ITS entwickelt wurde.

Mit turboSPH werden die Lagrange'schen Navier-Stokes-Gleichungen gelöst, ohne den Rechenbereich vernetzen zu müssen. Am ITS wird die Partikelmethode SPH hauptsächlich zur numerischen Untersuchung komplexer Zweiphasenströmungen in Turbomaschinen oder verwandten Anwendungen eingesetzt. Der Code ist in C++ und MPI implementiert und enthält Werkzeuge zur Vor- und Nachbearbeitung von Simulationsdaten.

Galerie

Hier finden Sie einige unserer Simulationen mit turboSPH. Weiterführende Erklärungen können Sie den zugehörigen Forschungsschwerpunkten entnehmen.

Primärzerfall eines ebenen, filmlegenden Airblast-Zerstäubers

Das Video stellt die Simulation eines Primärzerfallprozesses eines generischen, filmlegenden Airblast-Zerstäubers dar. Es konnten mehrere Zerfallsereignisse erfasst werden, die auch aus experimentellen Arbeiten bekannt sind. Bis heute gehört diese Simulation mit insgesamt 1,2 Milliarden Partikeln und einer räumlichen Auflösung von 5 µm zu den größten Rechnungen innerhalb der Zerstäubungscommunity. Da der turboSPH Code massiv parallelisiert ist, konnte ein physikalisches Zeitfenster in der Größenordnung von ~100 Verweilzeiten bei vergleichbar geringem Berechnungsaufwand simuliert werden.

Die Arbeit demonstriert, dass zuverlässige Simulationen von luftgestützten Zerstäubern inzwischen möglich sind.

Das Video ist Teil der in High Performance Computing in Science and Engineering von Braun et al. (2016) veröffentlichten Arbeiten. DOI: 10.1007/978-3-319-47066-5_22

Primärzerfall eines industriellen Airblast-Zerstäubers

Im Video dargestellt ist eine rekonstruierte Phasengrenze einer mit turboSPH durchgeführten Simulation einer Brennstoffdüse dargestellt. Es handelt sich um die weltweit erste 3D-SPH-Simulation des Kraftstoffsprays einer realistischen Düsengeometrie eines Turbofantriebwerks.

Die Simulation wurde mit 1200 CPUs über die Dauer von mehreren Monaten durchgeführt. Bei einer Auflösung von 8 µm resultiert die räumliche Diskretisierung in einer Gesamtzahl von einer halben Milliarde Partikel.

Das Video ist Teil der Keynote-Präsentation auf der MCS von Dr. Koch.

Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion

Um die potenziellen Vorteile neuartiger Flugtriebwerke mit hohen Nebenstromverhältnissen auszuschöpfen und so effizientere und umweltfreundlichere Flugzeugantriebe zu realisieren, ist der Einsatz eines Höchstleistungsgetriebes erforderlich. Kenntnisse über die Ausbreitung des Öls nach dem Aufprall der Ölstrahlen auf den Zahnradflanken sind wichtig, um eine zuverlässige Kühlung und Schmierung des Getriebes zu gewährleisten.

Das Video zeigt eine 3D-Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion, die mit turboSPH erzielt wurde. Aufgrund des Lagrange‘schen Charakters der SPH-Methode wird die starke Deformation der Ölphase genau erfasst und die Zahnradrotation rechnerisch effizient simuliert (im Vergleich zu herkömmlichen, gitterbasierten Methoden). Durch den hohen Detaillierungsgrad des Simulationsergebnisses konnten neue, quantitative Einblicke in diesen komplexen Strömungsprozess gewonnen werden.

Das Video ist Teil der im Journal of Tribology von Keller et al. (2019) veröffentlichten Arbeiten. DOI: 10.1115/1.4043640

Lagrange’sche kohärente Strukturen

Einer der Vorteile der SPH-Methode ist die wesentlich kostengünstigere Identifizierung von "Lagrange'schen kohärenten Strukturen" (LCS) in Strömungen mit Hilfe des "Finite-Time-Lyapunov-Exponenten" (FTLE). Dieser skalare Wert beschreibt die Abscheidungsrate in Bezug auf benachbarte Partikel über ein endliches Zeitintervall, was als diagnostisches Werkzeug zur Analyse der Wirbel- und Grenzflächendynamik genutzt werden kann.

Beim ITS haben wir unser eigenes Post-Processing-Werkzeug postAtom entwickelt, um die durch turboSPH-Simulationen erzeugten Daten in großem Maßstab zu untersuchen. Eine solche Analyse ermöglicht es uns, Wirbelstrukturen auf verschiedenen Längenskalen zusammen mit ihrer zeitlichen Entwicklung zu identifizieren, was einen einzigartigen Einblick in die lokalen Zerstäubungsphänomene ermöglicht und die Möglichkeit bietet, den Einfluss geometrischer Variationen nachzuvollziehen.

Das Video ist Teil der im Energies von Dauch et al. (2019) veröffentlichten Arbeiten. DOI: 10.3390/en12132552

Forschungsschwerpunkte

Zerstäubung

Strömungen in Turbomaschinen

Methodenentwicklung

Sonstiges

  • Hochdruck-Homogenisierung
  • Herstellungsprozess von diskontinuierlich verstärkten Faserverbundwerkstoffen
  • Ladungswechsel eines Kolbenmotors
  • Kühlung, Schmierung und Transport in spanenden Fertigungsverfahren

Quellen und relevante Veröffentlichungen