Strahlungssimulation von Turbomaschinen: Geschwindigkeit vs. Genauigkeit

ChampionXperience Team

23. Juli 2026 5 Minuten Lesezeit

Haben Sie jemals neben einem riesigen Industrieofen oder einem lodernden Lagerfeuer gestanden? Man muss die Flammen nicht berühren, um die intensive Hitze zu spüren, die von dort ausgeht. In Hochtemperatur-Turbomaschinen erfahren die Motorkomponenten genau dasselbe Phänomen.

Da die Temperaturen in Gasturbinen immer weiter an die physikalischen Grenzen stoßen, geht es beim Wärmemanagement nicht mehr nur um den Flüssigkeitsstrom. Es geht ums Überleben. Wer die Wärmeabstrahlung zwischen den Bauteilen ignoriert, riskiert unerwartete thermische Spannungen, unzureichend dimensionierte Kühlkanäle und vorzeitigen Bauteilausfall.

Schauen wir uns an, wie moderne Simulationswerkzeuge uns dabei helfen, dieses komplexe thermische Gleichgewicht zu beherrschen, ohne unsere Arbeitsstationen zum Stillstand zu bringen.

Die verborgene Wärme: Warum Strahlung in Turbomaschinen wichtig ist

Bei Hochleistungsturbomaschinen liegt der Fokus oft stark auf der Konvektion. Wir investieren viel Zeit in die Optimierung von Schaufelkühlungskanälen und Sekundärströmungswegen. In geschlossenen Bereichen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit, wie beispielsweise in Verdichterkammern und Rotor-Stator-Dichtungen, ist die Konvektion jedoch extrem schwach.

In diesen Stagnationszonen dominiert die Wärmestrahlung. Die Wärme strahlt von den heißen Turbinenscheiben direkt auf kühlere Bauteile ab. Werden diese Wärmeübertragungsprozesse in Simulationsmodellen ignoriert, sind die lokalen Temperaturvorhersagen gefährlich niedrig.

Selbst eine geringfügige Unterschätzung der Temperatur um 10 bis 15 Grad Celsius kann die prognostizierte Lebensdauer einer kritischen Rotorscheibe halbieren. Um zuverlässige Triebwerke zu entwickeln, müssen wir diese Strahlungswechselwirkungen während der Übergangsphasen des Betriebs berücksichtigen.

Der Rechenengpass: Die Herausforderung des Sichtfaktors

Wenn Strahlung so entscheidend ist, warum zögern Wärmeingenieure dann oft, sie in jede Simulation einzubeziehen? Die Antwort liegt in einem geometrischen Parameter namens Sichtfaktor.

Der Sichtfaktor ist ein rein geometrischer Wert, der definiert, wie gut eine Oberfläche eine andere „sieht“. Im Gegensatz zur Wärmeleitung, bei der lediglich Gleichungen zwischen benachbarten Netzelementen gelöst werden müssen, erfordert die Wärmestrahlung, dass jede Oberfläche mit jeder anderen sichtbaren Oberfläche kommuniziert.

Der Albtraum des Skalierens

Mit zunehmender Netzfeinheit steigt die Anzahl der Oberflächeninteraktionen exponentiell an. Die Berechnung dieser Sichtfaktoren für ein komplexes, vollständiges 3D-Gasturbinenmodell erzeugt eine riesige mathematische Matrix. Dieser Engpass kann eine schnelle Simulation über Nacht schnell in eine mehrtägige Rechenaufgabe verwandeln.

Historisch gesehen zwang dies Ingenieure zu einem frustrierenden Kompromiss. Entweder mussten sie sich mit stark vereinfachten 2D-Modellen zufriedengeben, die kritische Umfangsvariationen nicht berücksichtigten, oder tagelang auf den Abschluss einer hochpräzisen 3D-Simulation warten.

Intelligente Strategien: Genauigkeit und Geschwindigkeit im Gleichgewicht halten

Glücklicherweise müssen Sie sich nicht zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit entscheiden. Durch den Einsatz intelModellierungsstrategien können wir eine nahezu 3D-Genauigkeit mit einem Bruchteil des Rechenaufwands erreichen.

1. Vollständige 3D-Referenzmodelle

Dies ist Ihre „Referenzgenauigkeit“. Sie modellieren die gesamte Geometrie in vollem 3D und berechnen alle Sichtfaktoren bis ins kleinste Detail. Obwohl dies die höchste Genauigkeit bietet, sollten Sie diesen Ansatz eher für die abschließende Designvalidierung als für tägliche Designiterationen verwenden.

2. Zyklische Symmetrie mit Rotationsperiodizität

Die meisten Turbomaschinenkonstruktionen sind von Natur aus periodisch. Anstatt einen kompletten 360°-Rotor zu modellieren, kann man einen einzelnen Sektor simulieren, beispielsweise einen 5°- oder 45°-Abschnitt. Die übliche zyklische Symmetrie stößt jedoch bei der Wärmeabstrahlung an ihre Grenzen, da Oberflächen außerhalb des Abschnitts weiterhin Wärme in diesen abstrahlen.

Um dieses Problem zu lösen, verwenden fortgeschrittene Lösungsverfahren die Strahlungsrotationsperiodizität (auch bekannt als erweiterte Elemente). Diese Technik bildet die gesamte 360-Grad-Strahlungsumgebung mathematisch nach.

rund um Ihren kleinen Sektor. Sie erhalten die Geschwindigkeit eines kleinen Modells mit der physikalischen Genauigkeit einer vollständigen 3D-Simulation.

3. 2D-achsensymmetrische Modelle

In der frühen Projektphase ist Geschwindigkeit entscheidend. Die Reduzierung der Geometrie auf einen 2D-Querschnitt unter Annahme perfekter Rotationssymmetrie ermöglicht es, Dutzende von Designiterationen innerhalb weniger Minuten durchzuführen. Obwohl 2D-Modelle lokale Umfangsabweichungen nicht erfassen können, eignen sie sich hervorragend für die Modellierung des gesamten Motors (WEM) und schnelle Vorauswahlverfahren.

GPU-Beschleunigung: Der ultimative Gamechanger

Die verwendete Hardware ist genauso wichtig wie Ihre Modellierungsstrategie. Herkömmliche CPU-basierte Solver haben Schwierigkeiten mit den aufwändigen parallelen Berechnungen, die für die Strahlungsverfolgung erforderlich sind.

Durch die Verlagerung dieser Berechnungen auf moderne GPUs ändert sich alles grundlegend. Grafikkarten sind für massive Parallelverarbeitung ausgelegt und daher unglaublich effizient bei der gleichzeitigen Berechnung von Millionen von Wärmestrahlungsstrahlen. Jüngste Entwicklungen bei Solvern wie Simcenter STAR-CCM+ haben bewiesen, dass die native GPU-Beschleunigung die Vorverarbeitungs- und Berechnungszeiten von Simulationen von Stunden auf Minuten reduzieren kann.

Durch die Verwendung von GPU-beschleunigten Monte-Carlo -Strahlungsmodellen können Sie hochkomplexe Geometrien mit Millionen von Oberflächenelementen bearbeiten, ohne auf den üblichen Leistungsengpass zu stoßen.

Die richtige Strategie auswählen: Ein kurzer Überblick

Um Ihnen die Entscheidung zu erleichtern, welcher Ansatz am besten zu Ihrer aktuellen Entwurfsphase passt, haben wir die Vor- und Nachteile im Folgenden zusammengefasst:

Modellierungsansatz	Genauigkeitsgrad	Rechengeschwindigkeit	Am besten geeignet für
Vollständige 3D-Referenz	Höchste	Langsamste	Abschließende Designfreigabe und Validierung kritischer Hotspots
Zyklische Symmetrie (mit Periodizität)	Nahezu 3D Hoch	Schnell	Detaillierte Bauteiloptimierung und Hohlraumanalyse
2D-achsensymmetrisch	Mäßig	Extrem schnell	Frühphasen-Screening und thermische Anpassung des gesamten Triebwerks

Durch die Kombination von zyklischer Symmetrie, gezielter Vereinfachung und GPU-gestützten Solvern können Sie Ihre Designzyklen beschleunigen und Ihre Engines kühl halten. Wie geht Ihr Team aktuell mit den Herausforderungen der Hochtemperaturstrahlung in Ihren CAE-Workflows um? Teilen Sie uns Ihre Erfahrungen in den Kommentaren mit!

Dieser Leitfaden basiert auf Erkenntnissen aus dem offiziellen Siemens- Blog .