Als je je ooit gefrustreerd hebt gevoeld terwijl je naar een klein draaiend pinwheel staarde terwijl een computer een taak afmaakt, probeer zes weken te wachten.

Dat is de situatie waarin luchtvaartingenieurs zich vaak bevinden bij het ontwerpen van nieuwe turbines. Met meerdere ventilatorbladen die duizenden keren per minuut draaien en luchtstromen die sneller bewegen dan de snelheid van het geluid, het nauwkeurig modelleren van de complexe machine is een enorme uitdaging.

Vrijwel alle commerciële vliegtuigen gebruiken turbinemotoren en 90 procent van de elektriciteit in de wereld wordt geproduceerd door turbines. In het begin van de jaren negentig, 's werelds toonaangevende turbinefabrikanten, U.S. Air Force en NASA kwamen samen met academische experts en een softwarebedrijf om het GUIde Consortium te vormen om de "grote uitdagingen" in de aeromechanica van turbomachines aan te pakken. Nu in zijn zesde iteratie, het programma werkt om de tijd dat het pinwheel draait te verkorten van weken naar dagen en tegelijkertijd de nauwkeurigheid van de simulatie te vergroten.

"Het GUIde Consortium financiert pre-competitief onderzoek om te voldoen aan de behoeften van de ontwerpmethoden van zijn leden, " zei Robert Kielb, directeur van het GUIde Consortium en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University, die sinds 2008 als leidende instelling van het programma heeft gediend. we hebben ons gericht op de geforceerde respons van een ingebouwde compressor, die dicteert hoe op elkaar inwerkende drukgolven de ventilatorbladen van een turbojet dwingen te trillen."

Deze trillingen zijn zowel een veiligheids- als een kostenkwestie. Als de messen te veel trillen, ze kunnen na verloop van tijd beschadigd raken en vergen kostbaar onderhoud. Of erger, ze kunnen breken en motorstoringen veroorzaken.

Turbojet-engineeringbedrijven hebben elk hun eigen interne software om nieuwe motoren te ontwerpen, maar ze vertrouwen op onderzoek uitgevoerd door het GUIde Consortium om ervoor te zorgen dat hun software accuraat is. Ze kopen ook pakketten en programma's van ANSYS, het enige softwarebedrijf in het GUIde Consortium, die met onderzoekers in de groep werkt om hun producten te testen en te verbeteren.

In het afgelopen jaar, Duke-onderzoekers onder leiding van Shreyas Hegde, een doctoraat student in het laboratorium van Kielb, beantwoordde een aantal belangrijke vragen bij het modelleren van software die door ANSYS werd geproduceerd.

"De modellen van de industrie doen doorgaans een volledige 360-graden analyse om erachter te komen hoe elke rij ventilatorbladen de buren doet trillen, " zei Hegde. "We proberen deze simulaties te vereenvoudigen zonder de nauwkeurigheid van de resultaten te verliezen."

Een turbojet-ventilator bestaat uit rijen bladen die afwisselen tussen stationaire "stators" en roterende "rotors". Ook al heeft een grote motor meerdere sets van elk, simulaties die in de ontwerpfase worden gebruikt, modelleren meestal slechts één rotor die is ingeklemd tussen twee stators.

In een recente studie, Kielb, Hegde en hun collega's keken welke effecten het toevoegen van een andere stroomafwaartse rotor op de simulatie heeft. Ze ontdekten dat de drukgolven die door het systeem stromen vaak terugkaatsen vanaf dit stadium en de trillingen van de ventilatorbladen die eerder in de motor werden aangetroffen, beïnvloeden.

"Dat is niet het beste nieuws voor bedrijven die turbojets ontwerpen, want hoe ingewikkelder het model wordt, hoe langer en moeilijker om de resultaten te interpreteren, "zei Kielb. "Maar als je die extra rotor niet had toegevoegd, je zou een ontwerp kunnen afwijzen, ook al zouden de interactie-effecten van die rotor de geforceerde trillingen voldoende verminderen om het prima te laten werken. Of het tegenovergestelde kan gebeuren, waar het toevoegen van de rotor aan de analyse aantoont dat de trillingsamplitude daadwerkelijk hoger zal zijn."

Simulaties zijn gemakkelijker te voltooien als elk van de rotoren en stators een aantal ventilatorbladen heeft met een gemeenschappelijke noemer. Bijvoorbeeld, als de hierboven beschreven standaard stator-rotor-statorsimulatie ventilatorbladen met nummer 44-33-44 zou bevatten - de gemeenschappelijke noemer is 11 - zou het kunnen worden vereenvoudigd tot slechts 4-3-4, maar toch perfect nauwkeurig zijn.

In niet-uniforme modellen, een van deze nummers is iets afwijkend. In dit voorbeeld, het aantal ventilatorbladen kan veranderen in 44-33-48. Zelfs kleine verschillen zoals deze zijn lange tijd een doorn in het oog van de industrie geweest bij het simuleren van de prestaties van een ontwerp.

In een andere recente aanpassing aan de software, ANSYS maakte het mogelijk om verkorte simulaties van deze niet-uniforme modellen te voltooien, en wendde zich tot Duke om hun werk te controleren.

"We hebben een heel 360-gradenmodel samengesteld met alle complexiteiten die je maar kunt bedenken, " zei Kielb. "Dat leverde een nauwkeuriger beeld op van de mogelijkheden en beperkingen van de nieuwe ANSYS-software."

De groep constateert dat de ANSYS-software in de meeste gevallen goed werkt, maar in sommige gevallen, het werkt niet zo goed, en de bedrijven moeten weten welke gevallen dat zijn.

En dat doet ANSYS ook. Dankzij het werk bij Duke, het softwarebedrijf kan problemen met hun methoden ontdekken en oplossen, die de hele turbine-industrie helpt.

"Het GUIde Consortium bestaat al bijna twee decennia, en het bleek een echt wederzijds voordelige regeling te zijn voor alle betrokkenen, " zei Kielb. "We gaan nog twee jaar besteden om deze simulaties van geforceerde trillingen zo goed mogelijk te laten werken, en dan gaat het consortium verder met andere uitdagingen."