Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-1684
Authors: Kämmerer, Steffen
Title: Sensitivitätsanalyse zur dreidimensionalen numerischen Optimierung von Turbomaschinen
Other Titles: Sensitivity analysis for three-dimensional numerical optimisation of turbomachinery
Issue Date: 2006
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-26156
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1701
http://dx.doi.org/10.18419/opus-1684
Abstract: Zur Steigerung der Effektivität der Energieumwandlung von thermischen Turbomaschinen gewinnen moderne, rechnergestützte Optimierungsmethoden in zunehmendem Maße an Bedeutung. Heutige Optimierungsverfahren können, in unterschiedlichster Ausprägung, von der Vorauslegung bis hin zur endgültigen Designfestlegung, in den gesamten Entwicklungsprozess integriert werden. Rechnergestützte, automatisierte Optimierungsmethoden bieten hierbei die Möglichkeit,anspruchsvolle Designaufgaben mit einer Vielzahl von Parametern und Nebenbedingungen systematisch zu bewältigen. Automatisierte Optimierungsverfahren sind somit ein Werkzeug für die zielgerichtete Neuentwicklung und auch die Verbesserung bzw. Weiterentwicklung bestehender Designs. Insbesondere die aerodynamische Auslegung von Turbomaschinen bietet aufgrund der Komplexität der Strömungsvorgänge und der Vielzahl von Designparametern ein breites Einsatz und Anwendungsgebiet für Optimierungsstrategien. In dieser Arbeit wird eine automatisierte Methode zur aerodynamischen Optimierung dreidimensionaler Schaufelgeometrien in Turbomaschinen entwickelt. Die hierzu eingesetzte Optimierungsstrategie verwendet numerische Berechnungen der Navier-Stokes-Gleichungen und ein Gradientenverfahren basierend auf einer Sensitivitätsanalyse. Die Ausgangsbasis der Methode bildet ein Strömungsberechnungsprogramm, welches speziell für die Anwendung in axialen Turbomaschinen entwickelt wurde, und das stationäre und instationäre Simulationen von Strömungen in mehrstufigen Turbomaschinen erlaubt. Die Ermittlung der Sensitivität von Optimierungsparametern erfolgt mit einem Verfahren zur numerischen Berechnung der kontinuierlichen Sensitivität der Navier-Stokes-Gleichungen nach der direkten Methode. Das Verfahren zur Sensititivitätsberechnung wird in die bestehende Infrastruktur des Strömungsberechnungsprogrammes implementiert. Somit steht ein Werkzeug zur Verfügung, das sowohl zur Berechnung dreidimensionaler Strömungsfelder als auch zur Bestimmung der zugehörigen Sensitivitätsinformation geeignet ist. Zu diesem Zweck werden die Bestandteile des bestehenden numerischen Verfahrens zur Berechnung der Sensitivität der Navier-Stokes-Gleichungen weiterentwickelt. Weitere Bestandteile der Optimierungsstrategie sind der Optimierungsalgorithmus nach der Methode der sequentiellen quadratischen Approximation und die vollständige Parametrisierung der dreidimensionalen Schaufelgeometrie. Die numerisch berechnete Sensitivitätsinformation wird anhand zweidimensionaler Testfälle und dreidimensionaler Beispiele validiert. Des Weiteren werden Anwendungsmöglichkeiten der Sensitivitätsinformation zur Generierung benachbarter Strömungsfelder durch lineare Approximation aufgezeigt. Das entwickelte Verfahren wird zur Optimierung verschiedener Schaufelreihen und Stufenkonfigurationen axialer Turbomaschinen eingesetzt. Um die Eignung des Verfahrens zu dokumentieren, werden die Resultate analysiert und diskutiert.
In order to improve the efficiency of thermal turbomachinery, modern computational optimisation methods have become an attractive alternative to traditional design optimisation approaches. Present optimisation methods and algorithms can be incorporated into every phase of the design process from preliminary design studies up to the final design. Automated optimisation methods provide the possibility, to systematically accomplish demanding design optimisation problems with a large number of design parameters and constraints. Automated optimisation methods are therefore an instrument for the target-oriented development of new designs and the improvement of existing designs. Because of the complexity of the relevant flow phenomena, the aerodynamic design of turbomachinery is offering a large field of application for optimisation strategies in particular. Within the scope of this work, an approach for the aerodynamic design optimisation of three-dimensional turbomachinery blades is developed. The applied optimisation strategy uses numerical computations of the Navier-Stokes equations and a sensitivity analysis. The basis of this method is a Navier-Stokes flow solver especially designed for axial turbomachinery applications. The flow solver provides the ability to perform steady state and unsteady flow simulations of multi-stage turbomachinery. The design sensitivities used within the optimisation are obtained by numerical computation of the analytical sensitivity equations. This direct method of sensitivity computation is also known as sensitivity equation method. The implementation of the sensitivity equation method is realised using the existing structure of the flow solver. Therefore an instrument is available that provides three-dimensional flow field information as well as the associated design sensitivity information. To achieve this, the existing modules of the numerical scheme are developed and modified for the numerical computation of the sensitivity of the Navier-Stokes-equations. Further components of the optimisation strategy are a Sequential Quadratic Programming optimisation algorithm and a complete parameterisation of the threedimensional blade geometry. The validation of the computed sensitivity information is performed utilising two- and three-dimensional test cases. Further on applications are presented to generate nearby flow field solutions by linear approximation using flow field and sensitivity information. The optimisation method is applied to single blade rows and stage configurations of axial turbomachinery. The presented optimisation examples are used to demonstrate and to discuss the capabilities of this approach.
Appears in Collections:04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
kaemmerer_23032006.pdf14,68 MBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.