An Open-Source Framework for the Design and Simulation of Turbomachinery

Diese Dissertation stellt ein umfassendes Rahmenwerk für die Konstruktion, Simulation und Analyse von Strömungsmaschinen vor, mit besonderem Fokus auf Luftkreislauf-Kältesysteme. Der steigende Bedarf an umweltverträglichen und energieeffizienten Lösungen in der Luftfahrt sowie in industriellen Anwendungen hat das Interesse an Luftkreislauf-Technologien als Alternative zu konventionellen Dampfkompressionssystemen neu belebt. Zur Unterstützung dieser Entwicklung wurde eine offene Computer-Aided-Engineering-(CAE)-Pipeline entwickelt, die parametrische Geometrieerzeugung, Vernetzung und numerische Simulation integriert. Die Geometriemodellierung basiert auf einer modularen Python-Toolchain (pyTurbo, pyNURBS), die ein Computer-Aided Design (CAD)-Kernsystem mit Implementierungen von NURBS, Schnittmengen- und Geometriemanipulationsalgorithmen bereitstellt. Darauf aufbauend ermöglicht pyTurbo die parametrische Konstruktion von Turbomaschinenkomponenten, wobei Schaufeln durch meridionale und Winkelkurven in Kombination mit Dickenverteilungen definiert werden. Dieser Ansatz bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung verschiedenster Bauteile. Die Pipeline ist nahtlos mit OpenFOAM gekoppelt und umfasst Erweiterungen des Solvers, darunter eine auf der Rothalpie basierende Energiegleichung sowie turbomaschinenspezifische Funktionsobjekte, die die Genauigkeit der Simulationen in rotierenden Bezugssystemen erhöhen. Die Validierung der Methodik erfolgt anhand der gut dokumentierten Sundstrand-T-100-Hilfsgasturbine, die als Referenzfall für Geometrie-Rekonstruktion und Computer Fluid Dynamic (CFD)-Analysen dient. Die Ergebnisse bestätigen, dass der entwickelte Workflow zuverlässig turbomaschinencharakteristische Größen wie spezifische Drehzahl, Geschwindigkeitsverhältnis und Strömungsstrukturen reproduzieren kann. Darüber hinaus werden Post-Processing-Strategien vorgestellt, die sowohl der Leistungsauswertung als auch der physikalischen Interpretation von Strömungsphänomenen dienen. Die Arbeit leistet damit in zweifacher Hinsicht einen Beitrag zum Stand der Technik: Ersichtlich durch die Etablierung einer reproduzierbaren und erweiterbaren Design-to-Simulation-Pipeline für Forschung und Entwicklung im Bereich der Strömungsmaschinen; zweitens durch die detaillierte Untersuchung von Modellierungsstrategien, die das Potenzial der Luftkreislauf-Technologien für nachhaltige Energie- und Kühlsysteme unterstreichen. Die Ergebnisse unterstützen die zukünftige Entwicklung effizienter Strömungsmaschinen und schlagen eine Brücke zwischen theoretischen Konstruktionsprinzipien, numerischer Modellierung und praktischer Umsetzung.