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Radialverdichtermodellierung mit modernen CFD-Methoden

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Peter Jeschke

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Schwarz Philipp

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Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen

Unser Profil

Das Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (IST) betreibt intensive experimentelle und theoretische Forschung auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene. Hierfür stehen modernste Versuchseinrichtungen wie auch leistungsfähige Rechnerkapazitäten zur Verfügung.

Das IST widmet sich seit mehreren Jahrzehnten der Erforschung des Radialverdichters. Traditionell bilden die Großprüfstände des Instituts das Rückgrat der wissenschaftlichen Arbeiten. Aktuell werden in Kooperation mit Industriepartnern vier Radialverdichterprüfstände betrieben. Darüber ist das IST das Kompetenzzentrum Verdichter der MTU Aero Engines zur gemeinsamen Forschung und Entwicklung von Technologien für Flugtriebwerke der nächsten Generation.

In der Luftfahrt werden Radialverdichter im Bereich der Antriebstechnik zukünftig eine größere Rolle spielen. Sowohl in weiterentwickelten Fluggasturbinen für die Mittel- und Langstrecke als auch in innovativen brennstoffzellenbasierten Antrieben für die Kurzstrecke.

In den letzten Jahren werden Zentrifugalverdichter vermehrt als Endstufe eines mehrstufigen Verdichters für Gasturbinentriebwerke kleinerer Schubklassen eingesetzt. Diese Entwicklung wird begünstigt durch die Einführung von Technologien zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades, da diese zu einer Reduktion des Kerntriebwerks-Massenstroms führen. Da in Axialverdichterstufen die Rotorspitzen- und Deckband-/Dichtungsabstände aufgrund physikalischer Größenbeschränkungen nur eingeschränkt skaliert werden können, steigen die relativen Sekundärströmungsverluste für kleinere Kerntriebwerke. Somit näheren sich die erzielbaren Wirkungsgrade denen des Radialverdichters an, wenngleich dieser sich durch eine höhere aerodynamische Robustheit auszeichnet.

In wasserstoffbasierten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellenantrieben werden elektrisch angetriebene Radialverdichter zur kathoden-(luft-)seitigen Aufladung eingesetzt. Die Anhebung des Betriebsdrucks des Brennstoffzellen-Stack dient in erster Linie der Steigerung des Wirkungsgrades bzw. der Leistungsdichte. Radialverdichter bieten sich an, da sie bereits bei sehr kleinen Massenströmen verhältnismäßig hohe Druckverhältnisse erzielen können. Weitere Vorteile sind der geringe Bauraum und hohe Lebensdauern.

Zur Konzeptionierung und Auslegung von Radialverdichtern in aktuellen und zukünftigen An-wendungen sind numerische Berechnungsverfahren unerlässlich. In Kooperation mit der MTU Aero Engines werden in einem Forschungsprojekt 2D-/3D-Berechnungsverfahren zur besseren Vorhersage des Radialverdichter-Verhaltens weiterentwickelt. Ziele sind zum eine die Genauigkeitssteigerung der Verfahren durch Validierung mittels breiter Messdatenbasis und zum anderen die Verkürzung der Entwicklungszeiten neuer Radialverdichter durch Automatisierung der Prozesskette. Darüber hinaus werden Vorauslegungs- und Skalierungsregeln für Konzeptionierung von effizienten Radialverdichtern mit einem breiten Stabilitätsbereich abgeleitet.   

Ihr Profil

Voraussetzung für die Einstellung ist ein abgeschlossenes Hochschulstudium (Master oder vergleichbar) der Fachrichtung Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik oder einer vergleichbaren Ingenieursdisziplin.

Wünschenswerte Qualifikationen sind:

  • Gute bis sehr gute Studienleistungen
  • Kenntnisse in der Aero-/Thermodynamik von Turbomaschinen
  • Erfahrungen im Bereich der numerischen Strömungssimulation (mit TRACE oder NUMECA Fine/Turbo) sind wünschenswert
  • CFD-Modellaufbau mit ICEM, NUMECA Autogrid5TM und IGG sind wünschenswert
  • Kenntnisse von SIEMENS NX sind von Vorteil
  • Programmierkenntnisse mit Python oder anderen Sprachen sind von Vorteil
  • Gute oder sehr gute Deutsch- und Englischkenntnisse in Wort und Schrift

Ihre Aufgaben

Im Rahmen dieses Vorhabens soll eine Methodik zur Durchführung von stationären sowie instationären CFD-Simulationen von Radialverdichtern mit dem Strömungslöser TRACE erarbeitet werden. In diesem Zuge werden unterschiedliche Laufräder, Diffusoren und Rückführsysteme betrachtet. Die Arbeiten umfassen den Aufbau der Modelle, die Durchführung der Simulationen und die Bewertung der Ergebnisse. Hierfür ist ebenfalls eine Aufbereitung der experimentellen Daten erforderlich.        

Der Fokus liegt auf der Entwicklung einer standardisierten Methodik zur Aufbereitung und Durchführung von Radialverdichtersimulationen mit Voluten. Aufgrund der Rotationsasymmetrie der Voluten sind diese hinsichtlich des Modellaufbaus deutlich komplexer als andere Gitter des Radialverdichters. In einem ersten Schritt erfolgt eine Sichtung bestehender Korrelationen zu Druckverlustmodellen sowie Vorauslegungsstrategien. Anschließend wird ein parametrisches Modell, aufbauend auf Python und NX, aufgebaut. Zuletzt soll eine standardisierte Methodik zum Aufbau des CFD-Simulationsmodells erarbeitet werden, was der Rotationsasymmetrie Rechnung trägt. In diesem Zuge sollen ebenfalls neue Designansätze untersucht werden, welche hohe Gesamtwirkungsgrade, breite Betriebsbereiche sowie vorteilhafte akustische Eigenschaften ermöglichen.

Es ist vorgesehen, dass die Forschungsergebnisse des Vorhabens in eine Promotion überführt werden.

Unser Angebot

Die Einstellung erfolgt im Beschäftigtenverhältnis.
Die Stelle ist zum nächstmöglichen Zeitpunkt zu besetzen und befristet auf 4 Jahre.
Die befristete Beschäftigung erfolgt im Rahmen der Befristungsmöglichkeiten des Wissenschaftszeitvertragsgesetzes.
Es handelt sich um eine Vollzeitstelle.
Eine Promotionsmöglichkeit besteht.
Die Eingruppierung richtet sich nach dem TV-L.
Die Stelle ist bewertet mit EG 13 TV-L.

Über uns

Die RWTH ist als familiengerechte Hochschule zertifiziert.
Die RWTH bietet im Rahmen eines Universitären Gesundheitsmanagements eine Vielzahl von Gesundheits-, Beratungs- und Präventionsangeboten (z. B. Hochschulsport) an. Für Tarifbeschäftigte und Beamtinnen und Beamte besteht ein umfangreiches Weiterbildungsangebot und die Möglichkeit, ein Jobticket zu erwerben.
Die Stellenausschreibung richtet sich an alle Geschlechter.
Wir wollen an der RWTH Aachen University besonders die Karrieren von Frauen fördern und freuen uns daher über Bewerberinnen.
Frauen werden bei gleicher Eignung, Befähigung und fachlicher Leistung bevorzugt berücksichtigt, sofern sie in der Organisationseinheit unterrepräsentiert sind und sofern nicht in der Person eines Mitbewerbers liegende Gründe überwiegen.
Bewerbungen geeigneter schwerbehinderter Menschen sind ausdrücklich erwünscht.
Im Sinne der Gleichbehandlung bitten wir Sie, auf ein Bewerbungsfoto zu verzichten.
Informationen zur Erhebung personenbezogener Daten nach Artikeln 13 und 14 Datenschutz-Grundverordnung (DS-GVO) finden Sie unter https://www.rwth-aachen.de/dsgvo-information-bewerbung.

Bewerbung
Nummer:V000004026
Frist:31.03.2023
Postalisch:RWTH Aachen University
Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen
Prof.Dr. Peter Jeschke
Templergraben 55
52062 Aachen
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