Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

unabhängige Variablen im Kurzzeitgedächtnis zu variieren. Eine dreidimensionale Parametrisierung
der gesamten Geometrie, bestehend aus Schaufelblatt und Seitenwänden, übersteigt
diese Zahl jedoch bei weitem. Ausgehend von einer Startgeometrie muß es aber weiterhin das
vorrangige Ziel eines Entwicklungsingenieurs bleiben, in vorgegebener Zeit die maximale Verbesserung
der Aerodynamik durch Änderungen der Geometrie zu erreichen. Ein Hilfsmittel
zur zielgerichteten Suche nach der optimalen Geometrie stellt die numerische Optimierung
dar. Die vom Entwicklungsingenieur angewendeten Entscheidungskriterien zur Beurteilung
eines Entwurfs, der sogenannte „ingenieurmäßige Blick“, müssen dabei in ein künstliches
System übertragen werden. Die Anzahl an Freiheitsgraden stellt bei einer numerischen Optimierung
eine geringere Limitierung als bei einer manuellen Auslegung dar. Die Anwendung
numerischer Optimierung muß im Bereich dreidimensionaler Strömungsberechnung allerdings
sinnvoll gesteuert werden, um die erforderliche Rechenleistung und Datenmenge nicht intolerabel
ansteigen zu lassen. Es muß insbesondere berücksichtigt werden, daß die Zielfunktion
nicht durch eine mathematische Abbildungsvorschrift, sondern mit Hilfe iterativer Verfahren
bestimmt wird und deswegen numerisch rauh ist. Durch Optimierungsnebenbedingungen muß
bei der Anwendung der Optimierung sichergestellt werden, daß im Verlauf der iterativen Optimierung
der zulässige aerodynamisch und geometrisch sinnvolle Bereich nicht verlassen wird.
Aus dieser Problematik heraus ergab sich die Idee der vorliegenden Arbeit. Nach einem Überblick
über die bisherigen Untersuchungen der Sekundärströmungsphänomene und Beispielen
angewandter Optimierung soll ein Auslegungsverfahren aufgebaut werden, das auf der Methodik
der numerischen Optimierung unter Verwendung eines transitionalen3 , dreidimensionalen
Navier-Stokes-Lösers basiert. Mit diesem Verfahren soll es möglich sein, die dreidimensionalen
Strömungsvorgänge gezielt zu beeinflussen, in dem die Geometrie von Schaufelblatt und
Plattformen variiert wird. Durch strukturierte und volle Parametrisierung der dreidimensionalen
strömungsberandenden Geometrie und der Möglichkeit, die gewünschten Auslegungsziele
wählen zu können, soll ein Werkzeug entwickelt werden, welches es dem Entwicklungsingenieur
bei der Auslegung erlaubt, seine bisherige Erfahrung einzubringen. Gleichzeitig sollen
durch die Methodik der Optimierung im Rahmen der gesetzten Einschränkungen die Möglichkeiten
der komplexen dreidimensionalen Gestaltung kosten- und zeitsparend umgesetzt werden.
Mit dem Werkzeug soll eine dreidimensionale Auslegungsoptimierung eines bestehenden
Niederdruckturbinengitters4 zur Erzielung geringerer integraler Verluste und Sekundärströmungen
durchgeführt werden. Anhand experimenteller Untersuchung des dreidimensional
ausgelegten optimierten Gitters wird die notwendige Validierung des Verfahrens erfolgen.
Aufgrund der Erkenntnisse aus der numerischen Auslegung und der experimentellen Untersu-
3. Bei einem transitionalen Navier-Stokes-Löser wird der Transitionspunkt, also der Beginn der Turbulenzproduktion,
durch ein Kriterium selbst bestimmt und nicht etwa als Vorgabe gesetzt.
4. Zur Anwendung kam das Gitter T106A mit divergenten Seitenwänden, im folgenden mit T106D bezeichnet.
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