Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ... Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
Impuls aus der Seitenwandsenke füllt die Ablöseblase auf dem Profil und wird ohne Rotationaufzubauen re-energetisiert.Durch die dreidimensionale Gestaltung von Profil und Seitenwand konnten die ursächlichenanfachenden Mechanismen der Sekundärströmungen wirkungsvoll reduziert werden. Des weiterenwird ein Aufrollen der Grenzschichten zu den bekannten Wirbelphänomenen vermieden.Die Sekundärströmungsphänomene bilden sich erst weit hinten aus. Es zeigt sich nicht dasübliche Verlustbild in der Profilabströmung. Die Sekundärphänomene bleiben trotz der divergentenSeitenwände in Seitenwandnähe.Die Güte der Optimierung läßt sich anhand der integralen Beurteilungsparameter überprüfen.Die wichtigsten integralen Größen sind in der folgenden Übersicht gegenübergestellt:T106D T106Dopt T106Doptnumerisch numerisch experimentellZuströmwinkel 127.7° 127.7° 127.7°Bezugs-Mach-Zahl 0.59 0.59 0.59Bezugs-Reynolds-Zahl 500000 500000 498735Abströmwinkel β 2 grobes Netz 25.15° 24.90° 24.76°Optimierung flußgemittelt alsRandbedingungAbströmwinkel β 2 feines NetzNachrechnung / massengemitteltExperiment24.84° 24.57° 24.76°Totaldruckverlustbeiwert feineNachrechnung / ExperimentmassengemitteltTotaldruckverlustbeiwert flußgemitteltfeine Nachrechnung0.0658 0.0591 0.05730.0881 0.0719Die integralen flußgemittelten Verluste konnten durch die Optimierung um 22 % relativ zurStartgeometrie reduziert werden. Das Auslegungsziel einer Reduzierung der Sekundärströmungen,bei gleichzeitiger integraler Verlustminimierung, konnte erreicht werden.9. Diskussion und AusblickDurch die Automatisierung der Auslegungskette wird die aerodynamische Berechnung mit derkonstruktiven Entwurfsebene von Profilen gekoppelt. Die Anwendung einer solchen Auslegungsmethodikauf eine vollständig parametrisierte Beschaufelungsgeometrie ist zum heutigen102
Zeitpunkt sicherlich noch aufwendig und neu. Deswegen sollen hier noch einige abschließendeAnmerkungen gegeben werden.Um mit einem Optimierungsalgorithmus bei der Auslegung von dreidimensionalen Beschaufelungen,nach Möglichkeit global, optimale Lösungen erreichen zu können, sind mehrere Voraussetzungennotwendig. Zuerst muß die Parametrisierung der Geometrie, im Rahmen ihrergesetzten Grenzen, es ermöglichen, die optimale Konfiguration überhaupt einzunehmen. Diesersehr einfach klingenden Voraussetzung versucht das oben beschriebene Verfahren durchseine sehr weitgehenden Freiheitsgrade, auch was mögliche Amplituden anbelangt, gerecht zuwerden. Die hier auf Erfahrungswerten und Literatur basierten geometrischen Freiheitsgrademüssen mittelfristig aber sicherlich noch einiges an Weiterentwicklung erfahren. EineMethode der diesbezüglichen Ideenwerkstatt könnte z. B. eine Weiterentwicklung der physikalischenice-formation Optimierungsmethode 57 von La Fleur darstellen. Eine mit Eisschichtenversehene Startgeometrie wird dabei im Wasserkanal bei gleichzeitiger Unterkühlung eingesetzt.Der sich einstellende Gleichgewichtszustand stellt ein gleichzeitiges aerodynamischesund thermisches Optimum dar. Bekannte Beispiele zeigen z. B. den gewellten Diffusor, oderzwei hintereinander liegende hufeisenförmige Vertiefungen vor einem umströmten Zylinder.Um eine solche Parametrisierung im Rahmen ingenieurmäßiger Verfahren einzusetzen, ist esaußerdem nötig, daß zur Darstellung dieser topologischen Möglichkeiten nur eine minimaleAnzahl voneinander unabhängiger problemspezifischer Variablen notwendig sind, die sichauch einfach mittels Grenzen im dreidimensionalen Raum limitieren lassen.Der zweite Punkt betrifft die physikalische Modellbildung der durch die gebildete Geometriefließenden Strömung. Die Optimierung der dreidimensionalen Strömungsphänomene erfordertes, daß die physikalische Modellbildung im eingesetzen numerischen Verfahren die dreidimensionalenturbulenten und reibungsbehafteten Strömungseffekte auch physikalisch korrekt auflösenkann. Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, auch die vomOptimierungsalgorithmus vorgeschlagenen, an den Grenzen der Freiheitsgrade liegendenextremen Geometrien noch korrekt zu berechnen und eventuell auch als nicht geeignet zubewerten. Hierbei stoßen in einigen Fällen die unter anderen Vorraussetzungen erarbeitetennumerischen Modelle der Turbulenzmodellierung und der Transitionsbestimmung an ihreGrenzen. Es besteht dann die Gefahr, den Optimierungserfolg durch die Optimierung numerischerArtefakte zu unterbinden. Besonders in den letzten Jahren wurden allerdings erhebliche57. Bei der ice-formation Methode wird die Startgeometrie aus einer gekühlten Aluminiumbasis mit einer konstantenEisschicht gebildet. Wird diese Geometrie in einem Wasserkanal betrieben wird sich mit der Zeit eine,sowohl strömungsmechanisch, als auch thermisch, verlustoptimale Eistopologie als Gleichgewicht einstellen.Aus einer Reihe von Versuchen mit unterschiedlichen Unterkühlungsraten der Seitenwände, als auch bei verschiedenenReynolds-Zahlen, kann versucht werden die topologischen Gemeinsamkeiten für die höheren realenReynolds-Zahlen zu extrapolieren. Eine flexible Parametrisierung dieser Geometrie kann dann eine Basiszukünftiger Optimierungen darstellen.103
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Impuls aus der Seitenwandsenke füllt die Ablöseblase auf dem Profil und wird ohne Rotationaufzubauen re-energetisiert.Durch die <strong>dreidimensional</strong>e Gestaltung von Profil und Seitenwand konnten die ursächlichenanfachenden Mechanismen der Sekundärströmungen wirkungsvoll reduziert werden. Des weiterenwird ein Aufrollen der Grenzschichten zu den bekannten Wirbelphänomenen vermieden.Die Sekundärströmungsphänomene bilden sich erst weit hinten aus. Es zeigt sich nicht dasübliche Verlustbild in der Profilabströmung. Die Sekundärphänomene bleiben trotz der divergentenSeitenwände in Seitenwandnähe.Die Güte der <strong>Optimierung</strong> läßt sich anhand der integralen Beurteilungsparameter überprüfen.Die wichtigsten integralen Größen sind in der folgenden Übersicht gegenübergestellt:T106D T106Dopt T106Doptnumerisch numerisch experimentellZuströmwinkel 127.7° 127.7° 127.7°Bezugs-Mach-Zahl 0.59 0.59 0.59Bezugs-Reynolds-Zahl 500000 500000 498735Abströmwinkel β 2 grobes Netz 25.15° 24.90° 24.76°<strong>Optimierung</strong> flußgemittelt alsRandbedingungAbströmwinkel β 2 feines NetzNachrechnung / massengemitteltExperiment24.84° 24.57° 24.76°Totaldruckverlustbeiwert feineNachrechnung / ExperimentmassengemitteltTotaldruckverlustbeiwert flußgemitteltfeine Nachrechnung0.0658 0.0591 0.05730.0881 0.0719Die integralen flußgemittelten Verluste konnten durch die <strong>Optimierung</strong> um 22 % relativ zurStartgeometrie reduziert werden. Das Auslegungsziel einer Reduzierung der Sekundärströmungen,bei gleichzeitiger integraler Verlustminimierung, konnte erreicht werden.9. Diskussion und AusblickDurch die Automatisierung der Auslegungskette wird die aerodynamische Berechnung mit derkonstruktiven Entwurfsebene von Profilen gekoppelt. Die Anwendung einer solchen Auslegungsmethodikauf eine vollständig parametrisierte Beschaufelungsgeometrie ist zum heutigen102
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