Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

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führung einer Auslegungskette wurde mit C-Shell-Skripten programmiert. Zur Durchführungder parallelisierten Gradientenbestimmung wurde ein Batchsystem geschrieben, mit dem dienumerisch aufwendige Berechnung der Strömungslösung auf eine beliebige Anzahl von Rechnerngleicher Architektur verteilt werden kann. Nach Bereitstellung aller Dateien der beliebiggewählten Startgeometrie muß zuerst eine Approximation der durch Splines repräsentiertenParametrisierung der Naben- und Gehäusekontur erfolgen. Diese Approximation kann manuelloder mittels eines genetischen Algorithmus durchgeführt werden 45 . Die Parametrisierung desSchaufelblatts wird direkt in einem Preprozessorschritt durchgeführt, da die beschreibendenPolynome durch die Umkehrung der mathematischen Abbildungsvorschrift erzeugt werdenkönnen. Die Parametrisierung der umfangsunsymmetrischen Seitenwand erfolgt im Startpunktohne radiale Amplitude. Eine Anpassung der Parametrisierung an eine gegebene umfangsunsymmetrischeKontur müßte manuell oder als eigenständige Optimierung, ähnlich derRingraumkonturierung, erfolgen.neueOptimierungsvariablen/neueOptimierungsvariablen/GeometrieparameterGeometrieparameterFunktionsaufrufFunktionsaufrufeinzeln /parallel einzeln (Gradienten) /parallel (Gradienten)axiale Ringraummodifikationaxiale RingraummodifikationOptimierungsalgorithmusOptimierungsalgorithmusdonlp2donlp2ZielfunktionRandbedingungenZielfunktionRandbedingungenGenerierung des SchaufelblattsGenerierung auf allen Stromlinien des Schaufelblattsmitradialer auf allen Parametrisierung Stromlinien mitradialer ParametrisierungNetzgenerierungNetzgenerierungumfangsunsymmetrischeSeitenwandkonturierungumfangsunsymmetrischeSeitenwandkonturierungStrömungslöser3D Navier-StokesTRACE-S Strömungslöser3D Navier-StokesTRACE-SStrukturberechnungSchwingungsmodenNASTRANStrukturberechnungSchwingungsmodenPostprocessing NASTRANAbb. 5.2:Ablaufschema des Auslegungsverfahrens45. Zur Approximation kann eine Zielfunktion aus der Differenz der Geometrieabweichung zwischen Soll- undIstkontur in einem Optimierungskreislauf, bestehend aus der Geometriegenerierung gekoppelt mit einem genetischenAlgorithmus, optimiert werden.64
Das systematische Ablaufschema des Verfahrens ist in Abb. 5.2 ersichtlich. Der Befehlssatzder Geometrieerzeugung basiert jeweils auf dem letzten Hauptfunktionsaufruf. Die Netzgenerierungerfolgt für jeden Zielfunktionsaufruf mit gleichbleibender Topologie neu. Alle Strömungslösungenerfolgen als Restart. Eine vollständige alte Lösung wird dafür auf die jeweilsneuen Netzkoordinaten gelegt. Als Restartlösungen werden nur Lösungen zugelassen, derenZielfunktion besser als die Startlösung und besser als die letzte Hauptfunktionslösung waren.Die Strömungslösungen der Gradientenaufrufe werden aufgrund der Datenmenge nicht konserviert.Die Hauptfunktionsaufrufe können automatisch Plot-Dateien zur manuellen Auswertungerzeugen.6. Optimierung eines Turbinengitters zur Reduzierung derSekundärströmungen und VerlusteDie im Rahmen dieser Arbeit erstellte Auslegungsmethodik der dreidimensionalen Optimierungsoll an einem Turbinengitter durchgeführt werden. Ziel der Auslegung sind eine Verringerungder integralen Verluste und der Sekundärströmungen zur Verbesserung der Homogenitätder Abströmung. Ziel war auch sowohl den zeitlichen, als auch ökonomischen Aufwand derAuslegung im Rahmen einer „normalen“ Auslegung zu halten, um den Nachweis der Anwendbarkeiteiner solchen Auslegungssystematik zu erbringen. Das optimierte Turbinengitter sollanschließend experimentell untersucht werden, um anhand des Vergleichs mit den numerischenAuslegungsdaten die notwendige Validierung des Systems durchzuführen. Die üblicherweisein Turbomaschinen auftretenden Grenzschichten und die damit verbundenen Phänomeneentziehen sich durch ihre geringen Abmessungen einer detaillierten experimentellen Untersuchung.Zur detaillierten Bestimmung der Strömungsverhältnisse eines Turbinengitters wirddeshalb für Messungen oft ein vergrößertes Modell verwendet. Um eine kostengünstige experimentelleUntersuchung des optimierten Gitters zuzulassen, wurde die Einschränkung getroffen,ein Gitter mit geraden Seitenwänden, wie es am Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanaldes Instituts für Strahlantriebe eingesetzt werden kann, zu verwenden. Durch den großen Maßstabder Windkanalgitter kann eine sehr detaillierte Untersuchung der strömungsmechanischenEffekte stattfinden. Als Startpunkt der Optimierung wurde ein modernes Gitter einer Niederdruckturbinegewählt. Die Strömung in Niederdruckturbinen ist aufgrund des größeren Schaufelseitenverhältnissesnormalerweise weniger von Sekundärströmungen dominiert als beiHochdruckturbinen. Ziel neuer Niederdruckturbinenauslegungen ist es aber, wenn möglich,Bauteile oder ganze Turbinenstufen einzusparen. Dadurch kommt es zu einer immer höherenLeistungsdichte mit den damit verbundenen Problemen z. B. der stärkeren Sekundärströmungen.Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Auslegung von Beschaufelungen für Niederdruckturbinennormalerweise noch nicht auf Kühlungsaspekte Rücksicht genommenwerden muß. Kühlungsspezifische Anforderungen sind außer der Möglichkeit, z. B. die Profildicke,Vorderkantendicke etc. als Nebenbedingungen setzen zu können, in dem momentanen65
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Numerische Optimierung dreidimensio
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7.4 Fehlerbetrachtung . . . . . . .
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εWinkel, DissipationFFunktion, Flu
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AbbildungsverzeichnisAbb. 1.1: Seku
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Abb. 8.9: Ölanstrichbilder T106Dop
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[4]). Die Umweltaspekte gewinnen ne
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lität und Beschleunigung der Konve
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chung des optimierten Gitters könn
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estimmt. Durch den geringeren Impul
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Diese von der idealen Durchströmun
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Mittelschnitt transportiert. In ein
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Seite 107 und 108: Abb. 8.10: Ölanstrichbild T106Dopt
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