Numerical Simulation for Fluid-Structure-Interactions in Turbo-Chargers

TWT GmbH in cooperation with University of Stuttgart, Institut für Luftfahrtantriebe (ILA) are supporting a Diploma thesis to numerical investigations of fluid-structure-interaction in turbo-charger systems.

Numerische Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur am Beispiel eines Turboladers

Problemstellung

Der ständig wachsende Wettbewerbsdruck bei der Entwicklung von Motoren und Motorkomponenten in den verschiedensten Anwendungsgebieten führt zu der Vorgabe einer sich ständig verbessernden Qualität bei immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten. Um dies realisieren zu können wird heutzutage bereits in sehr frühen Entwicklungsstufen eine computergestützte Validierung der Funktionalität der Bauteile eingesetzt.

Abgas-Turbolader stellen in vielerlei Hinsicht besonders kritische Komponenten bei der Motorenentwicklung dar. Die Ursachen hierfür liegen in der hohen Beanspruchung – sei es mechanisch durch extrem hohe Drehzahlen der Turbine, oder thermisch durch die hohen (Abgas-) Temperaturen der Motoren. Bei gleichzeitig sinkender Größe der Bauteile spielen dann Fertigungstoleranzen bzw. auch Änderungen in der Struktur während des Betriebs, beispielsweise durch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und den Turbinenschaufeln, eine immer wichtigere Rolle.

Ziele der Arbeit

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, die einen Zusammenhang zwischen der Turbinendurchströmung und den dadurch bedingten Veränderungen in der Struktur mit Hilfe von herkömmlichen CFD-Tools herstellt und dieses Verhalten berechnen kann. Dies erfordert in der Regel eine Nutzung von verschiedenen Software-Paketen, die für die Berechnung der Durchströmung bzw. für die strukturmechanischen Berechnungen zuständig sind. Diese Simulationen werden dann über ein Kopplungsinterface miteinander verbunden und berechnen so iterativ die gesuchte Lösung.

Resultate

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Interaktion von Strömung und Struktur an einer Turboladerturbine untersucht. Die Strömungssimulation wurde dafür mit ”Star-CD“, die Struktursimulation mit ”PERMAS“ und die Kommunikation zwischen beiden Programmen mit

”MpCCI“ durchgeführt.

Um die Funktionalität der Methode „Fluid-Struktur-Interaktion“ zu erforschen und um das Zusammenspiel der verschiedenen Softwarepakete zu testen, wurde die Kopplung zunächst an einer senkrecht zur Anströmrichtung stehenden Platte untersucht. Diese verformte sich aufgrund der Kräfte durch die Strömung wie erwartet in Strömungsrichtung. Als Folge dessen veränderte sich das Strömungsbild leicht.

Im Anschluss an die Untersuchung der senkrechten Platte wurden ein Strömungsmodell und ein Strukturmodell der Turbine erzeugt und vorerst getrennt voneinander betrachtet. Dabei wurde die Rotation des Laufrades innerhalb der Turbine sowohl in der Strömungs- als auch in der Strukturrechnung simuliert, sodass letztendlich ein stehendes Gitter verwendet werden konnte. Nach der Berechnung von Fluid und Struktur ohne Kopplung wurden die Fluidkräfte an das Strukturmodell in einer einseitigen Kopplungsrechnung übergeben und die dadurch auftretenden Veränderungen der Struktur untersucht. Dabei zeigte sich, dass die durch das Fluid hervorgerufenen Verformungen klein im Vergleich zu denen durch die Rotation sind. Zuletzt wurde eine beidseitige Kopplungsrechnung der Turbine durchgeführt, bei der die Verformungen durch die Fluidkräfte wieder an das Strömungsmodell zurückgegeben und deren Einflüsse auf die Strömung untersucht wurden. Dabei war eine leichte Veränderung des Druckfeldes an den Schaufeln zu beobachten.

Project Partners

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Universität Stuttgart

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Pfaffenwaldring 6

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