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Ein Betriebspunkt kommt selten allein effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters Fachkonferenz zur Numerischen Simulation Winterthur 2016

Ein Betriebspunkt kommt selten allein effiziente ... · effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH Winterthur, 2016

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Ein Betriebspunkt kommt selten allein effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters

Fachkonferenz zur Numerischen Simulation Winterthur 2016

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2 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

1 Introduction of ANSYS optiSLang 2 Aim of the project 3 Method of analyzing performance maps 4 Results of sensitivity analysis 5 Conclusion and outlook

Content

© Dynardo GmbH

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3 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Dynardo • Founded: 2001

• More than 60 employees,

offices at Weimar and Vienna

• Leading technology companies

Daimler, Bosch, E.ON, Nokia,

Siemens, BMW are supported

Software Development

Dynardo is engineering specialist for

CAE-based sensitivity analysis,

optimization, robustness evaluation

and robust design optimization

• Mechanical engineering

• Civil engineering &

Geomechanics

• Automotive industry

• Consumer goods industry

• Power generation

CAE-Consulting

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4 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• is a general purpose tool for variation analysis

using CAE-based design sets (and/or data sets)

for the purpose of

• sensitivity analysis

• design/data exploration

• calibration of virtual models to tests

• optimization of product performance

• quantification of product robustness and product reliability

• Robust Design Optimization (RDO) and Design for Six Sigma (DFSS)

serves arbitrary CAX tools with

optiSLang

support of process integration

process automation

workflow generation

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5 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

SPDM

Input

1

Input 2

Input n

Output 1

with Process Integration

and for Automatization

Workflow-Management

ANSYS optiSLang

Postprocessing

Excel Add-In other Solver

Output 2

Output m

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6 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Design Improvement Optimize design performance

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

CAE-Data

Measurement

Data

Robust Design

Design Improvement Optimize design performance

© Dynardo GmbH

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7 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Design Improvement Optimize design performance

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

CAE-Data

Measurement

Data

Robust Design

Design Improvement Optimize design performance

© Dynardo GmbH

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8 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• use non scalar values inside ANSYS Workbench

• identify where parameters have influence within the curve

• match experimental data with simulation

Model Calibration Model update to increase your simulation quality!

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9 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Design Improvement Optimize design performance

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

CAE-Data

Measurement

Data

Robust Design

Design Improvement Optimize design performance

© Dynardo GmbH

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10 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Automatic workflow with a minimum of solver runs to:

• identify the important parameters for each response

• understand and reduce the optimization task

• check solver and extraction noise

Sensitivity Analysis Understand the most important input variables!

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11 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Design Improvement Optimize design performance

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

CAE-Data

Measurement

Data

Robust Design

Design Improvement Optimize design performance

© Dynardo GmbH

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12 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

User friendly procedure with algorithm to:

• work with the reduced subset of only important parameters

• pre-optimization on meta model (no solver run)

• decision tree for optimization algorithms

Optimization Optimize your product design!

Optimization

using MOP

Start

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13 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Model Calibration Identify important model parameters

for the best fit between simulation

and measurement

Design Improvement Optimize design performance

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Quality Ensure design robustness

and reliability

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

Design Understanding Investigate parameter sensitivities,

reduce complexity and

generate best possible meta models

CAE-Data

Measurement

Data

Robust Design

Design Improvement Optimize design performance

© Dynardo GmbH

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14 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Robustness Evaluation Ensure your product quality!

Output parameter variation

Powerful procedure to check design quality:

• Latin Hypercube Sampling representing

scattering variables optimally

• check variation interval limits and critical responses

• Identify the most important scattering variables

and check the solver noise

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15 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

1 Introduction of ANSYS optiSLang 2 Aim of the project 3 Method of analyzing performance maps 4 Results of sensitivity analysis 5 Conclusion and outlook

Content

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Winterthur, 2016

2 Aim of project

two main scientific issues are addressed:

• Implementation of an automated and standardized but also adaptive (in terms of the system´s response) process for numerical analysis considering all relevant operating points (performance maps)

• Investigation of usage of one-dimensional liquid flow theory for pre- evaluating design variants in a sensitivity study in order to reduce the numerical effort

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Winterthur, 2016

2 Aim of project Introduction

Structure and function of an exhaust gas turbocharger

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Winterthur, 2016

2 Aim of project Introduction

Performance indicators for characterizing turbochargers:

• Pressure ratio

• Isentropic efficiency

• polytropic efficiency

[4]

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19 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Sensitivity analysis scans the design space and evaluates the variance of the inputs- (e.g. Geometry) output parameters (e.g. pressure ratio)

2 Aim of project Introduction

1) Design of Experiments within the design space of the sensitivity analysis

One Design represents one performance map

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Winterthur, 2016

Sensitivity analysis scans the design space and evaluates the variance of the inputs- (e.g. Geometry) output parameters (e.g. pressure ratio)

2 Aim of project Introduction

2) Usage of regression methods (global and local approach) 3) Evaluate sensitivity of input parameters

One operating point of one design

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Winterthur, 2016

1 Introduction of ANSYS optiSLang 2 Aim of the project 3 Method of analyzing performance maps 4 Results of sensitivity analysis 5 Conclusion and outlook

Content

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22 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Design 19, 63, 95 and K:

D19: output parameters E lower than K, calculated with 1D flow theory

D95: sufficient output parameter E, potentially interesting designs, 3D CFD analysis of performance map

D63: best design within design space

3 Method of analyzing performance maps Overview

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23 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Workflow:

• Driven by optiSLang

• Geometry and the 1D flow computation (CFturbo)

• Meshing (TurboGrid)

• 3D CFD of performance map (CFX)

3 Method of analyzing performance maps Overview

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24 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• geometry parameters are determined to generate a 3D geometry (left)

• 1D flow computation of output parameters E (right)

3 Method of analyzing performance maps Geometry (CFturbo)

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25 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• 3D Geometry (left)

• Meshing of periodic segment with TurboGrid (right)

3 Method of analyzing performance maps Meshing (TurboGrid )

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26 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• Calculation of Choke Points through laws of similarity

• Afterwards iterative reduction of the mass flow until highest poly. efficiency

3 Method of analyzing performance maps 3D CFD (CFX)

[7]

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27 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

• Calculation of correlations

• response surfaces (MOP) and the sensitivity of input parameters

• E.g. the objective function (ZF):

3 Method of analyzing performance maps results evaluation

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28 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

1 Introduction of ANSYS optiSLang 2 Aim of the project 3 Method of analyzing performance maps 4 Results of sensitivity analysis 5 Conclusion and outlook

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29 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

4 Results of sensitivity analysis Global analysis

Meta-

modell

86 93 64 92 84 50 88

global sensitivity study of performance maps

• 89% successful design points

• 1% no geometry generation

• 9% failed meshing

• 1% problems with ANSYS CFX Solver

Generation of response surfaces

• Approximation accuracy is outweighing good

• Dissatisfying quality for polytropic efficiency

• Good qualitative agreement of 1D and 3D computation results

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30 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

Local analysis (185 Designs), e.g. Design 19

• Automated export of meridian view (left),

• performance maps of pressure ratio and polytropic efficiency (right)

4 Results of sensitivity analysis Local analysis

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31 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

4 Results of sensitivity analysis

Local analysis Reference design (42 OP)

n=150.000 1/min n=140.000 1/min n=130.000 1/min n=120.000 1/min n=110.000 1/min n=100.000 1/min n=90.000 1/min

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32 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

4 Results of sensitivity analysis Local analysis Design 19 (79 OP)

n=150.000 1/min n=140.000 1/min n=130.000 1/min n=120.000 1/min n=110.000 1/min n=100.000 1/min n=90.000 1/min

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33 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

4 Results of sensitivity analysis Local analysis

Comparison reference design vs. design 19

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34 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

o

Metamodell

Measurement

confidence interval

1D CFturbo

3D CFD

prediction Metamodell

What's the accuracy of every Modell?

4 Results of sensitivity analysis 1D and 3D flow computation

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35 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

4 Results of sensitivity analysis 1D and 3D flow computation

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36 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

1 Introduction of ANSYS optiSLang 2 Aim of the project 3 Method of analyzing performance maps 4 Results of sensitivity analysis 5 Conclusion and outlook

Content

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37 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

5 Conclusion and outlook

Methodology of adaptive analysis of perfomance maps:

In Sensitivity successful applied for 90% of the designs

Important Parameters for 1D and 3D analysis agree well

• Not universal applicable for all turbomachines

• improves method for performance maps in 3D-CFD

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38 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

5 Conclusion and outlook

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Winterthur, 2016

5 Conclusion and outlook

• Result validation through experiments

Geometry (CFturbo):

• Access to all parameters (speed, pressure ratio, mass flow) and systematic analysis of deviations in the performance map

3D CFD (CFX):

• Full model and numerical prediction of surge line

• Apply methodology to other turbo machines (turbine, pump)

Stochastic evaluation (optiSLang)

• Calculate speed lines and designs in parallel

• Optimization of performance maps

Answering some question will rise up many new questions.

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40 Ein Betriebspunkt kommt selten allein, effiziente Kennfeldanalyse mit optiSLang am Beispiel eines Turboverdichters M. Schimmelpfennig, Dynardo GmbH

Winterthur, 2016

For more information please visit our homepage:

www.dynardo.com

Thank you for your attention!

© Dynardo GmbH