TurboLaB – Lattice Boltzmann für hydraulische Turbomaschinen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501903
• Projekttitel Englisch: TurboLaB – Lattice Boltzmann for Hydraulic Turbomachines

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Strömungslösers basierend auf der Lattice Boltzmann Methode. Dieser Löser ermöglicht die effiziente Simulation von instationären, turbulenten Strömungen in hydraulischen Turbomaschinen und liefert genauere Resultate in kürzerer  Zeir, als dies momentan mit RANS und LES Methoden möglich ist. Dies ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens der Maschine in transienten Off-Design Betriebspunkten bereits während des Designprozesses. Durch die Anwendung dieser Methode kann das Verständnis von solchen Zuständen verbessert und dadurch die Effizienz und Flexibilität der Maschinen erhöht werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

During this project a new solver based on the Lattice Boltzmann method will be developed. This solver will allow the efficient simulation of the turbulent flows in hydraulic turbomachines, delivering significantly more accurate results in a much shorter timeframe than is currently possible with RANS and LES methods. This leads to the possibility to account for off-design operating conditions already during the design process of hydraulic machines. Applying this method will lead to better understanding of off-design operating conditions and thus improved performance and more flexibility of hydraulic machines.

Schlussbericht (Deutsch)

Der Schwerpunkt dieses Projekts lag auf der Entwicklung eines neuen Lattice-Boltzmann-basierten Lösers für die genaue und effiziente Simulation turbulenter Strömungen in hydraulischen Turbomaschinen. Es zielt vor allem auf die Simulation hochgradig instationärer Betriebspunkte ab, bei denen die derzeitigen Simulationsmethoden entweder zu teuer oder nicht genau genug sind, um die zugrunde liegende Physik korrekt darzustellen. Die Anwendung dieser Methode wird zu einem besseren Verständnis der Off-Design-Betriebsbedingungen und damit zu einer verbesserten Leistung und größeren Flexibilität der hydraulischen Maschinen führen. Es wurde gezeigt, dass der Code in der Lage ist, komplexe Fälle selbst bei sehr hohen Reynoldszahlen (O(10⁷)) zu berechnen. Dazu gehören Simulationen, die aus rotierenden und stationären Komponenten in mehreren Bezugssystemen bestehen. Die Simulationen können mit mehreren Ebenen der Gitterverfeinerung durchgeführt werden, wobei lokale CPU- oder GPU-Hardwarebeschleunigung zum Einsatz kommt. Die Parallelität zwischen Rechenknoten ist über das MPI-Protokoll implementiert, so dass der Code mehrere GPUs für beliebig komplexe Geometrien und Gitter nutzen kann, wobei jede manuelle oder automatische Zerlegungsmethode verwendet werden kann. Besonderes Augenmerk wurde auf die Benutzerfreundlichkeit der Software gelegt, so dass Simulationsingenieure ohne Kenntnisse der Lattice-Boltzmann-Methode oder der Code-Entwicklung solche Simulationen durchführen können. Der Code wurde anhand einer Reihe von Verifikations- und Validierungsfällen evaluiert, die einfache laminare 2D-Cases, interne turbulente Strömungen wie Diffusoren und Rohrbögen sowie vollständige Pumpen- und Pumpturbinenfälle abdecken. Alle vorgestellten Ergebnisse konnten mit höchstens 4 GPUs und in wenigen Stunden erzielt werden. Die Arbeit am Solver wird in Zukunft fortgesetzt, um die Effizienz weiter zu steigern und die Hardwareanforderungen zu reduzieren. Außerdem müssen weitere Erfahrungen gesammelt und Best-Practices entwickelt werden, um die erzielten Ergebnisse weiter zu verbessern. 

Schlussbericht (Englisch)

The focus of this project was the development of a new Lattice-Boltzmann-based solver for the accurate and efficient simulation of turbulent flows in hydraulic turbomachines. It mainly targets the simulation of highly unsteady off-design operating points, where current simulation methods are either too expensive or not accurate enough to properly represent the underlying physics. Applying this method will lead to better understanding of off-design operating conditions and thus improved performance and more flexibility of hydraulic machines. The code was shown to be capable of computing complex cases even at very high Reynolds numbers (O(10⁷)). This includes simulations consisting of rotating and stationary components in multiple reference frames. Simulations can be performed using multiple levels of grid refinement, utilizing node-local CPU or GPU hardware acceleration. Inter-node parallelism is implemented via the MPI protocol, allowing the code to utilize multiple GPUs for arbitrarily complex geometries and grids, using any manual or automatic decomposition method. Special attention was paid to the usability of the software, allowing simulation engineers without any knowledge of the Lattice Boltzmann Method or code development to perform such simulations. The code was evaluated using a series of verification and validation cases, covering simple laminar 2D setups, internal turbulent flows such as a diffusers and a pipe bends as well as fully-featured pump and pump-turbine cases. All results presented could be obtained using at most 4 GPUs and in a matter of hours. Work on the solver will continue in the future, further increasing performance and reducing hardware requirements. Additionally, more experience will have to be gained and best practices will need to be established, further improving the obtained results.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 5'777 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet s'est concentré sur le développement d'un nouveau solveur basé sur Lattice-Boltzmann pour la simulation précise et efficace des flux turbulents dans les turbomachines hydrauliques. Il vise principalement la simulation de points de fonctionnement hors concepte et très instables, pour lesquels les méthodes de simulation actuelles sont soit trop coûteuses, soit pas assez précises pour représenter correctement la physique sous-jacente. L'application de cette méthode permettra de mieux comprendre les conditions de fonctionnement hors paramètres de conception et donc d'améliorer les performances et la flexibilité des machines hydrauliques. Le code s'est révélé capable de calculer des cas complexes, même à des nombres de Reynolds très élevés (O(10⁷)). Il s'agit notamment de simulations comprenant des composants rotatifs et stationnaires dans plusieurs cadres de référence. Les simulations peuvent être effectuées à l'aide de plusieurs niveaux de raffinement de la grille, en utilisant l'accélération matérielle du CPU ou du GPU au niveau du nœud local. Le parallélisme internœuds est mis en œuvre via le protocole MPI, ce qui permet au code d'utiliser plusieurs GPU pour des géométries et des grilles arbitrairement complexes, en utilisant n'importe quelle méthode de décomposition manuelle ou automatique. Une attention particulière a été accordée à la facilité d'utilisation du logiciel, permettant aux ingénieurs en simulation sans aucune connaissance de la méthode Lattice Boltzmann ou du développement de code d'effectuer de telles simulations. Le code a été évalué à l'aide d'une série de cas de vérification et de validation, couvrant des configurations 2D laminaires simples, des flux turbulents internes tels qu'un diffuseur et un coude de tuyau, ainsi que des cas de pompe et de pompe-turbine complets. Tous les résultats présentés ont pu être obtenus en utilisant au maximum 4 GPU et en quelques heures. Le travail sur le solveur se poursuivra à l'avenir, afin d'améliorer encore les performances et de réduire les besoins en matériel. En outre, il faudra acquérir plus d'expérience et établir les meilleures pratiques, ce qui permettra d'améliorer encore les résultats obtenus.