Using large eddy simulation to create a digital engine

In the digital engine of the future, the design, efficiency determination and representation of the operating behavior should only be carried out using complex computer simulations, without the need for even more complex tests. In order to get closer to this desired goal, new, more reliable methods are needed for calculating the flow in engines.
The flow in engines is always highly unsteady and characterized by high turbulence. For the design of engines, the precise simulation of the unsteady turbulent flow with any boundary layer transitions between laminar and turbulent is therefore an important prerequisite. Up to now, this has mostly been done by calculating the time-averaged Navier-Stokes equations (RANS), in which the turbulence and the boundary layer transition are taken into account by models. However, this computationally fast approach usually suffers from the poor quality of the models.
The ALESIA project therefore aims to use Large Eddy Simulation (LES) to make the calculation of turbulent engine flows much more reliable in order to get closer to the goal of the digital engine. LES resolves a large part of the turbulent fluctuations in time and space and only models the small-scale turbulence. Although this procedure is very time-consuming, it allows for much more precise calculations of the flow and also provides a wealth of turbulence data that can make a significant contribution to understanding the flow and also to improving the industrial method of RANS simulations. In addition, this method also seems to be able to capture the significant transition of the boundary layer without additional modeling, so that hardly any additional models are necessary.
The starting point of ALESIA is the RANS flow code LINARS, developed at the institute, which allows efficient and precise calculation of engine-relevant flows. As part of 7 work packages, the LES method is to be integrated into LINARS in collaboration with an SME that has long experience in programming and data evaluation. In addition to the method itself, the ability to create networks for LES applications and the efficient evaluation of the calculation results are important tasks. The work is to be validated using the turbulence data in an engine geometry determined at the institute as part of a LuFo project.

If LES or the improved RANS models can meet the desired requirements for reliability and accuracy, this project can increase the degree of digitization of future engines and thus contribute to global competitiveness.

[Original text]
"Mit Large-Eddy-Simulation zum digitalen Triebwerk"
Beim digitalen Triebwerk der Zukunft sollen die Auslegung, die Wirkungsgradbestimmung und die Darstellung der Betriebsverhaltens nur mehr durch aufwendige Simulationen am Computer erfolgen, ohne dass noch viel aufwendigere Versuche durchgeführt werden müssen. Um diesem Wunschziel näher zu kommen, bedarf es neuer zuverlässigerer Verfahren für die Berechnung der Strömung in Triebwerken.
Die Strömung in Triebwerken ist immer stark instationär, und durch hohe Turbulenz charakterisiert. Für die Auslegung von Triebwerken ist daher die genaue Simulation der instationären turbulenten Strömung mit etwaigen Grenzschichtumschlägen zwischen laminar und turbulent eine wichtige Voraussetzung. Bisher erfolgt dies meist durch Berechnung der zeitlich gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS), bei denen die Turbulenz und der Grenzschichtumschlag durch Modelle berücksichtigt werden. Dieser rechnerisch schnelle Ansatz leidet aber meist an der zu geringen Güte der Modelle. 
Deshalb hat sich das Projekt ALESIA zum Ziel gemacht, mit Hilfe von Large Eddy Simulation (LES) die Berechnung turbulenter Triebwerksströmungen wesentlich zuverlässiger zu machen, um dem Ziel des digitalen Triebwerks näher zu kommen. LES löst einen Großteil der turbulenten Schwankungen zeitlich und örtlich auf und modelliert nur mehr die kleinskalige Turbulenz. Diese Vorgangsweise ist zwar sehr rechenzeitintensiv, erlaubt aber einerseits deutlich genauere Berechnungen der Strömung und gibt andererseits eine Fülle von Turbulenzdaten, die zum Verständnis der Strömung und auch zur Verbesserung der industriellen Methode der RANS-Simulationen wesentlich beitragen können. Zudem scheint diese Methode auch den bedeutenden Umschlag der Grenzschicht ohne zusätzliche Modellierung erfassen zu können, sodass kaum Zusatzmodelle notwendig sind.
Ausgangspunkt von ALESIA ist der am Institut entwickelte RANS-Strömungscode LINARS, der eine effiziente und genaue Berechnung triebwerksrelevanter Strömungen erlaubt. Im Rahmen von 7 Arbeitspaketen soll in Zusammenarbeit mit einem KMU, das lange Erfahrung in Programmierung und Datenauswertung hat, das LES-Verfahren in LINARS eingebaut werden, wobei neben dem Verfahren selbst die Möglichkeit der Netzerstellung für LES-Anwendungen und die effiziente Auswertung der Rechenergebnisse wichtige Aufgaben sind. Die Validierung der Arbeiten soll mit den am Institut im Rahmen eines LuFo-Projektes ermittelten Turbulenzdaten in einer Triebwerksgeometrie erfolgen. 
Wenn LES bzw. die verbesserten RANS-Modelle die gewünschten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Genauigkeit erfüllen können, kann mit diesem Projekt der Digitalisierungsgrad zukünftiger Triebwerke erhöht und damit zur globalen Wettbewerbsfähigkeit beigetragen werden.