TENT-EINE SOFTWAREINTEGRATIOSNUMGEBUNG FÜR MULTIDISZIPLINÄRE SIMULATIONEN

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1 TENT-EINE SOFTWAREINTEGRATIOSNUMGEBUNG FÜR MULTIDISZIPLINÄRE SIMULATIONEN H.-P. Kersken 1, A. Schreiber 1, R. Heinrich 2, E. Kügeler 3, A. Mack 2, J. Neumann 4, R. Schäfer 5 DLR-Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 1 Simulations- und Softwaretechnik, Köln 2 Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig 3 Institut für Antriebstechnik, Köln 4 Institut für Aeroelastik, Göttingen 5 Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung, Stuttgart 1. EINLEITUNG Die realistische Simulation von komplexen technischen Systemen, wie Flugzeugen, Triebwerken oder Raumfahrzeugen, erfordert die Modellierung und Berechnung verschiedener physikalischer Prozesse und ihrer Wechselwirkung. Die numerische Simulation solcher gekoppelten Prozesse erfordert erhebliche Ressourcen an Rechenzeit und Speicherplatz, selbst auf heutigen Großrechnern. Bei ihrer Durchführung ist aber auch die Menge der benötigten menschlichen Arbeitszeit für die Koordination der einzelnen Arbeitsschritte und Sichtung der Ergebnisse ein nicht unwesentlicher Kostenfaktor. Das Integrationssystem TENT [1], entwickelt im Projekt SUPEA, wurde in den Projekten AMANDA und IMENS weiterentwickelt, um den Umgang des Endanwenders mit solchen komplexen Simulationen zu vereinfachen. TENT ermöglicht es dem Anwender, sich auf die eigentliche Simulation zu konzentrieren, ohne sich mit den Details der verwendeten Hardware, des Netzwerks und der Datenspeicherung befassen zu müssen. Es erlaubt einen hohen Grad der Abstraktion von Hardware-Ressourcen und Software-Interaktionsmechanismen. GU CFD CSM CORBA Datenserver Visuali- Applikationskomponente Systemkomponente Factories Name Server BILD 1. Architektur des Integrationssystems. Filter Kopplung Scripting Im Folgenden werden die Eigenschaften des Integrationssystems TENT beschrieben und die Anwendung anhand von gekoppelten Simulationen aus den DLR Projekten AMANDA und IMENS dargestellt. Bei den dargestellten Simulationen wurden als Simulationsprogramme die im DLR entwickelten Strömungslöser Trace [2], FLOWer und Tau [3], sowie die kommerziellen Struktur- und Thermallöser ANSYS und NASTRAN eingesetzt. Mit dem System wurde in diesen Projekten die Simulation eines elastischen Flugzeugs bzw. Flügels (TAU/NASTRAN bzw. FLOWer/NASTRAN), einer luftgekühlten Turbinenschaufel (Trace/NASTRAN) und die thermische Belastung von Teilen eines in die Erdatmosphäre eintretenden Raumgleiters (Tau/NASTRAN bzw. Tau/ANSYS) realisiert. 2. DAS INTEGRATIONSSYSTEM TENT Im Rahmen des Projektes SUPEA wurde der Prototyp des Integrationssystems TENT entwickelt. Dieses System diente als Basis für die Weiterentwicklung zu einer Simulationsumgebung für gekoppelte Simulationen. Neben funktionalen Erweiterungen der Basiskomponenten des Systems und der graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) wurde das System um eine Komponente erweitert, welche die Durchführung von eng gekoppelten Simulationen mit dem System ermöglicht. Dabei werden Simulationsprogramme verwendet, die mit Hilfe der von FhG/SCAI entwickelten Bibliothek MpCCI [4] zur Interpolation und dem Datentransfer verbunden sind. TENT basiert auf der Softwarekomponenten-Technologie, die es erlaubt, einzelne Teile des Gesamtsystems als separate Einheiten (Komponenten) zu behandeln, die über klar definierte Schnittstellen miteinander interagieren. Erreicht wird dies durch die Verwendung von CORBA zur Kommunikation und zur Beschreibung der Schnittstellen. CORBA ermöglicht insbesondere die Interaktion von Programmen, die auf verschiedenen Rechnern in einem Netzwerk laufen. Bereits vorhandene Programme werden mit einer zusätzlichen Programmschale (er) ausgestattet, die eine solche Schnittstelle dem Programm zugänglich macht. Der er besitzt zum einen eine Schnittstelle zur der Applikation, d.h. er kann an die Applikation über eine spezielle Kommandoschnittstelle Kommandos absetzen und Ausgaben der Applikation auswerten, und zum anderen ist er mit dem Integrationssystem über eine CORBA-Schnittstelle verbunden. Dadurch wird es dem Anwender ermöglicht, bereits vorhandene Programme in das System integrieren zu können. Die Implementierung der zur Arbeit mit dem System notwendigen Systemkomponenten und der graphischen Benutzeroberfläche (GUI) erfolgte in Java um Betriebssystem- und Hardwareübergreifend arbeiten zu können. Mit der GUI können Prozessnetzwerke

2 (Workflows) für gekoppelte Simulationen graphisch zusammengestellt werden. Ebenso kann in der GUI die Simulation konfiguriert, gestartet, gesteuert und überwacht werden. Die zu dem Prozessnetzwerk gehörenden Programme umfassen dabei nicht nur die Simulationsprogramme selbst, sondern auch alle zugehörigen Präund Postprozessoren, sowie Visualisierungstools. Mit TENT entsteht durch diesen Ansatz eines single point of access aus vorhandenen Programmen ein neues Tool zur Durchführung multidisziplinärer Simulationen in verteilten Umgebungen. Als Grundlage für das verteilte Rechnen wird das Globus Toolkit [5] verwendet. Das Globus Toolkit ist eine Implementierung von Protokollen und Services zur Arbeit in Computational Grids, d.h. es bietet sichere Mechanismen zur Authentifizierung auf entfernten Rechnerressourcen, zum Start von Programmen auf Rechnern und zum Transfer von Daten zwischen Ressourcen. In TENT kann das Globus Toolkit zum Start von Komponenten und Applikationen sowie zur sicheren Übertragung von Ergebnisdaten zwischen Applikationen verwendet werden. Die Bestandteile des System sind im folgen kurz charakterisiert: 2.1. GUI Um eine größtmögliche Portabilität zu erreichen und GUI- Komponenten schnell, effektiv und einfach entwickeln zu können, wurde eine Benutzerschnittstelle in Java implementiert. Einzelne GUI-Elemente können als JavaBeans mittels Toolunterstützung entworfen und einfach in den vorhandenen Rahmen der bestehenden Benutzerschnittstelle integriert werden. Da die Benutzerschnittstelle ebenfalls eine Applikation ist, die auf einer beliebigen Maschine läuft, benötigt man eine Kommunikationsschnittstelle zum TENT-Basissystem. Diese Aufgabe wird durch die Benutzung von CORBA gelöst. Im einzelnen können die folgenden Aktionen über die GUI ausgeführt werden: Interaktiver Aufbau von Workflows per drag-anddrop, Konfiguration von Komponenten und Anwendungen über Properties, Start von Anwendungen auf ausgewählten Rechnern, Start von Workflows mit vorgewählter Anzahl von Zeit- oder Iterationsschritten, Online-Visualisierung von Simulationsergebnissen, Anstoßen weitere Rechenschritte ohne Neustart der Applikationen, Abspeichern und Laden von Workflows, Management der Simulationsdaten, Graphische Darstellung der Entwicklung von ausgewählten Parametern über die Anzahl der Rechen- oder Zeitschritten Systemkomponenten Die Systemkomponenten sind Komponenten, die notwendig sind, um mit dem System in einer verteilten Umgebung zu arbeiten. Die wichtigste dieser Komponenten ist der CORBA Naming Service, der als der zentrale Informationsservice des TENT-System fungiert. Bei ihm melden sich alle gestarteten Komponenten an und bei ihm können alle Teile des Systems die Referenzen (Rechnername und Port) von gestarteten Komponenten abfragen. Eine weitere wichtige Systemkomponente ist die Factory. Die Factory ist ein Programm (Daemon) der auf den unterschiedlichen Teilen des verteilten Systems läuft und dort die Komponenten und Applikationen startet. Die Factory ist in der Lage, Programme auf unterschiedliche Arten zu starten: Als ein einfacher Start auf der lokalen Maschine, durch einen Submit in ein Scheduling-System (z.b. LSF oder NQS), oder durch ein Submit in ein Computational Grid. Weitere Systemkomponenten sind z.b. Steuerkomponenten, die es erlauben, Skripte zur Steuerung von Workflows ablaufen zu lassen, Steuer- und Konfigurationskomponenten für gekoppelte Simulationen und ein Datenserver, in dem Konfigurations- und Simulationsdaten gespeichert werden können Applikationskomponenten Um vorhandene Simulationsprogramme in der Integrationsumgebung TENT benutzen zu können, werden sie durch einen er mit einer Komponentenschnittstelle zum System ausgestattet. Die Steuerung der Komponenten erfolgt über diese in CORBA-IDL definierte Schnittstelle. Der Datenaustausch zwischen den Komponenten erfolgt unter Benutzung standardisierter Protokolle (FTP, HTTP, GridFTP). Die einzelnen Komponenten werden in der Benutzerschnittstelle als Icons grafisch dargestellt und können, per drag-and-drop, zu einem Simulations-Workflow zusammengestellt werden. Die Benutzerschnittstelle überwacht dabei, ob eine Kombination der einzelnen Komponenten sinnvoll und der erforderliche Datenaustausch möglich ist. BILD 2. TENT GUI

3 MpCCI NASTRAN -CO- Prozess NASTRAN- Co-Prozess cfd CFD Durch den hohen Grad der Abstraktion entsteht maximale Flexibilität, da die verschiedenen Komponenten auf unterschiedlichsten Plattformen laufen können. Als einzige Vorrausetzung muss auf allen beteiligten Plattformen eine CORBA-Implementierung vorhanden sein Datenmanagement Das Datenmanagement von TENT ist in der Lage, sowohl die Workflow- und Komponentenkonfigurationen als auch die Eingabe- und Ergebnisdateien in Form von frei definierbaren Projekthierarchien zu verwalten. Zu den verwalteten Daten können Metadaten hinzugefügt werden, welche die Daten genauer beschreiben und mit zusätzlichen, für das jeweilige Umfeld notwendigen, Informationen versehen. Auf diesen Metadaten können Suchoperationen durchgeführt werden, z.b. um nach Daten zu suchen, die in einem bestimmten Zeitraum, einem bestimmten Mitarbeiter, einer bestimmten Plattform oder mit bestimmten Inputparametern erzeugt wurden. Es ist außerdem möglich, die Daten zu versionieren. Alle in Simulationen auftretenden Daten werden auf einem Datenserver abgelegt, welcher über das standardisierte Protokoll WebDAV (Web Distributed Authoring and Versioning) angesprochen wird. WebDAV basiert auf dem HTTP-Protokoll, und erlaubt die Verwaltung von Daten auf entfernten Rechnern, also Upload, Download, vis Applikation Komponente VIS CORBA Filetransfer MpCCI IPC BILD 3. Ein typisches Kopplungsszenario. Ein CFD- Löser ist über die MpCCI-Bibliothek an einen Co-Prozess gekoppelt, der Dateien der eigentlichen strukturmechanischen Applikation liest und schreibt und diese startet. Beide Programme transferieren Daten zu einem Visualisierungs-Tool. Webbrowser TENT HTTP/WebDAV Internet HTTP/WebDAV TENT-Datenserver WebDAV WebDAV File Server Database PDM-System BILD 4. Prinzip des Datenmanagement in TENT. Database Versionierung, Zugriffsrechteverwaltung und Metadatenverwaltung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aus TENT heraus Daten aus PDM-Systemen zu holen und Ergebnisse wieder in PDM-Systeme zu speichern. 3. KOPPLUNGS-KOMPONENTE Gekoppelte Simulationen bedeuten gegenüber den normalen linearen Workflows (Pre-Processing Simulation Post-Processing Visualisierung) einen deutliche Steigerung der Komplexität. Zum einen müssen zwei vollständig separate Datensätze für die beiden gekoppelten Simulationen verwaltet werden. Diese weisen aber auf der anderen Seite unter Umständen gewissen Abhängigkeiten auf, welche durch die Kopplung der beiden Simulationen induziert werden. Zum anderen müssen Daten verwaltet werden, die den Kopplungsmechanismus und die Ausführung der gekoppelten Simulation beschreiben. BILD 3 skizziert ein in TENT realisiertes Kopplungsszenario einer Strömungs-Struktur-Kopplung. Anhand der Skizze soll noch auf zwei, eher software-technische, Aspekte der Kopplung eingegangen werden. Die eigentliche Datenübertragung zwischen den Applikationen findet durch die von der FhG/SCAI entwickelten MpCCI- Bibliothek statt. Diese erfordert zum einen einen speziellen Startmechanismus, welcher die zu koppelnden Codes gemeinsam startet und die Kommunikationsinfrastruktur für die Interpolation zwischen ihnen initialisiert. Da dies normaler Weise über einen Eingriff in den Quellcode der beteiligten Programme geschieht, können nur Programme deren Code modifiziert werden kann oder welche die MpCCI-Schnittstelle bereits integriert haben über die MpCCI angebunden werden. Bei Programmen wie NASTRAN und ANSYS, aber auch Tau, wurde der Weg über einen Co-Prozess gewählt. Diese Co-Prozesse besitzen eine MpCCI-Schnittstelle um mit anderen MpCCI- Applikationen zu kommunizieren und eine Dateischnittstelle zur eigentlichen Applikation. Co-Prozesse können z.b. NASTRAN-Dateien parsen um die für die Kopplung relevanten Informationen zu extrahieren und aus den von dem CFD-Code empfangenen Daten Randbedingungen zu generieren, die in die Modell-Datei eingefügt werden können. Die Abbildung verdeutlicht auch die Relation von Komponente und Applikation im Gesamtsystem. 4. ANWENDUNGEN In diesem Abschnitt werden exemplarisch Ergebnisse gekoppelter Simulationen aus den Projekten IMENS und AMANDA vorgestellt AMANDA Fluid-Thermal-Kopplung Ein immer wichtig werdender Aspekt im Design von Turbinestufen ist die Berücksichtigung der Wärmelasten auf den Schaufeln, da diese wesentliche die Lebensdauer einer Schaufelbestimmen. Dies erfordert in den Simulationen während des Entwurfprozesses die Durchführung von Strömungsrechnungen gekoppelt mit einem Wärmeleitungslöser für das Schaufelinnere. Hier wurde der vom DLR Institut für Antriebstechnik entwickelte CFD-Löser TRACE mit NASTRAN als Löser für das Wärmeleitungs-

4 Zuströmung: T tot = 790 K P tot = 1.5 Bar Kopplungsflächen dρ /dt undeformed wing Ma = 0.78, α =2.83 o deformed wing, aeroelastic equilibrium reached lift Kühlluft: T tot = K P tot = Bar cycle Y BILD 5. Übersicht über die Konfiguration der konvektiv gekühlten Statorschaufel. problem gekoppelt. TRACE liefert dabei Temperaturen und Wärmeübergangskoeffizienten an der Schaufeloberfläche als Randbedingung an NASTRAN und NASTRAN berechnet daraus die Temperaturverteilung im Inneren der Schaufel und liefert neue Temperaturen an der Schaufeloberfläche als Randbedingung für den Strömungslöser zurück. Es wurde ein eine konvektionsgekühlte Turbinenstatorschaufel gekoppelt simuliert (BILD 5). Die Experimente dazu sind am Heißgas-Gitterkanal der DLR durchgeführt worden. Die Temperaturen auf der Schaufelfläche sind in BILD 7 dargestellt Fluid-Struktur-Kopplung Prinzipiell läuft die gekoppelte Berechnung von Strömungsfeld und Deformation der Struktur folgendermaßen ab: Begonnen wird mit einer CFD-Rechnung auf dem undeformierten Gitter. Die dabei errechneten aerodynamischen Lasten werden über die MpCCI- Bibliothek an den Strukturlöser weitergegeben. Auf der Basis der Lasten wird die Verformung der Struktur berechnet. Die Deformation der Oberfläche des Flügels wird dann wieder über MPCCI an den CFD-Code übertragen. Mit den Oberflächendeformationen des Flügels als Input wird das CFD-Gitter deformiert. Anschließend wird wieder eine CFD-Rechnung auf dem jetzt deformierten Gitter durchgeführt, um damit wieder neue Lasten zu berechnen. Der Zyklus wird so häufig durchlaufen, bis die Veränderung der Lösung von Zyklus zu Zyklus ein vorgegebenes Toleranzkriterium unterschreitet. Im Projekt AMANDA wurden mit TENT zwei verschiedene Strömungslöser (FLOWer und Tau, entwickelt vom DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik) mit NASTRAN als Strukturlöser gekoppelt. Druckseite T[K] Saugseite BILD 7. Temperaturverteilung auf der Schaufeloberfläche. cp undeformed FLOWer-NASTRAN Insbesondere zur Verifikation der Kopplungsalgorithmen wurde eine aeroelastische Rechnung an einem Standardflügelmodell (AMP) durchgeführt. Es wurde ein Strukturmodell des AMP-Flügels aus 25 Balkenelementen generiert, das von FLOWer verwendete blockstrukturierte Netz hatte Knoten. BILD 6 zeigt eine typische Konvergenzhistorie für den FLOWer-Code. Das Dichte- Residuum und der Auftrieb werden im Bild gezeigt. Eine stationäre Rechnung wird beendet, wenn das Toleranzkriterium von10-5 für das Dichteresiduum erreicht wird. Es wird sichtbar, dass die größten Veränderungen zwischen dem ersten und zweiten Kopplungsschritt stattfinden. Der Auftrieb ändert sich um ca. 16%, was die Wichtigkeit der Berücksichtigung aeroelastischer Effekte verdeutlicht. Anschließend sind die Veränderungen von Kopplungsschritt zu Kopplungsschritt relativ gering im Vergleich zu Schritt 1. Die starke Reduktion des Auftriebes der deformierten Konfiguration wird im wesentlichen durch die Torsion des Flügels in Richtung der Flügelspitze hervorgerufen. Der effektive Anstellwinkel wird reduziert, was die Verkleinerung des Auftriebes erklärt. Wie durch die im unteren Teil von BILD 6 dargestellten Verteilungen des Druckbeiwertes für die undeformierte und die finale, deformierte Flügeloberfläche deutlich wird, wandert der Stoß auf der Oberseite weiter nach vorne und dessen Stärke wird reduziert. Eine detaillierte Darstellung der Ergebnisse findet man in [6] TAU-NASTRAN Z Als eine weitere Anwendung, durchgeführt vom DLR Institut für Aeroelastik im Projekt AMANDA, ist die Deformation eines kompletten Flugzeugs anhand eines Halbmodells des Airbus A340 untersucht worden. Zum Einsatz kamen hier der Strömungslöser Tau und NASTRAN zur Berechnung der Deformationen. Die Übertragung der Kräfte vom Oberflächenmodell des Strömungslösers auf die Struktur erfolgte durch beim Institut für Aeroelastik entwickelte Kopplungs- und Inter- X deformed BILD 6. Konvergenz der gekoppelten FLOWer- NASTRAN Rechnung und die cp-verteilung auf dem undeformierten und deformierten Flügel im aeroelastischen Gleichgewicht.

5 modell mit Spalt, welches bereits im Rahmen des Projektes TETRA im Plasmawindkanal des DLR Köln experimentell getestet wurde [7]. Die im CFD-Löser berechneten Wärmeströme entlang der Kopplungsfläche werden anhand der MPCCI auf das Strukturnetz interpoliert und hier als Wärmelast für die Thermalanalyse aufgeprägt. Die aus der Simulation gewonnene Temperaturverteilung (BILD 9) wird an den Kopplungsflächen zurück auf das Strömungsgitter transferiert. Diese Iteration wird solange durchgeführt bis sich eine konvergierte Lösung für Temperatur und Wärmestrom einstellt. BILD 8. Berechnete Deformation an einem A340 Halbmodell. Die Rechte Hälfte zeigt das Struktur-seitige Kopplungsgitter im deformierten und undeformierten Zustand. Die linke Hälfte die Druckverteilung auf der Oberfläche des CFD-Netzes. polationsalgorithmen. Das hier verwendete CFD-Netz besteht aus 1,15 Millionen Tetraederzellen, das vom Strukturlöser verwendete Gitter besitzt ca Knoten und Elemente. Die Kopplungsfläche hat auf der CFD-seitig ca Knoten, Struktur-seitig ca. 900 Knoten IMENS Eine Zielsetzung des Projektes IMENS ist die Entwicklung einer Simulationsumgebung zur gekoppelten Strömungs- Struktur Analyse von thermisch hochbelasteten Komponenten an Wiedereintrittsfahrzeugen. Auf Strömungsseite kommen bei der gekoppelten Simulation die CFD- Löser TAU und DAVIS-VOL zur Anwendung, die Berechnung der Struktur wird mit den kommerziellen FE-Programmen ANSYS oder NASTRAN durchgeführt. Die Interpolation der Kopplungsgrößen erfolgt anhand der MpCCI- Bibliothek [4]. Die Abbildungen BILD 9 und BILD 10 zeigen die Ergebnisse einer thermischen Fluid-Struktur Analyse unter Verwendung von TAU und ANSYS für ein Steuerklappen- Der Einfluss der Kopplung wird bei dem Vergleich der Oberflächentemperatur zwischen strahlungsadiabater und gekoppelter Lösung deutlich (BILD 10). Wärmeleiteffekte innerhalb der Struktur, sowie die Einbeziehung von exakten Sichtfaktoren bei der Berechnung der Strahlung führen zu einem geglätteten Temperaturverlauf. Eine auskonvergierte Lösung ist nach fünf Iterationsschritten erreicht. Eine detaillierte Beschreibung der Ergebnisse kann [8] entnommen werden. 5. AUSBLICK Die Erfahrungen mit gekoppelten Simulationen aus IMENS und AMANDA werden unter anderem in dem Projekt SikMa (Simulation komplexer Manöver) einfließen, in dem die Aeroelastik zeitgenau simuliert werden soll und zusätzlich noch ein Flugmechanik-Modul in die Prozesskette integriert wird. Es wird auch die Möglichkeit evaluiert gekoppelte Simulationen basierend auf TENT und MpCCI nicht nur in lokalen Netzwerken, sondern, mit Hilfe von Grid Computing Software, auch in weitverteilten Netzwerken durchführen zu können. LITERATUR [1] The Integrated Simulation Environment TENT. Andreas Schreiber. Preprint ANL/MCS-P , July [2] D. T. Vogel, E. Kügeler, The Generation of Artificial Counter Rotating Vortices and the Application for Fan-Shaped Film-Cooling Holes, Proceedings of the 14th ISABE, 1999, ISABE-Paper [3] N. Kroll, C.-C. Rossow, K. Becker, F. Thiele,The MEGAFLOW Project, Aerosp. Sci. Technol., Vol. 4, BILD 9. Temperaturverteilung in der Umgebung des Steuerklappenspalt. BILD 10. Verlauf der Oberflächentemperatur entlang der Kopplungsfläche.

6 2000, pp [4] [5] [6] R. Heinrich, R. Ahrem, G. Guenther, H.-P. Kersken, W. Krueger, J. Neumann, Aeroelastic Computation Using the AMANDA Simulation Environment Proceedings of CEAS Comference on Multidisciplinary Design and Optimization (DGLR- Bericht ), June 2001, Cologne, pp [7] Guelhan, A., Esser, B., Koch, U.: Experimental Investigation of Gap Flows on a Flap Model in the arc heated facility L3K, DLR-IB C01, 1999 [8] Mack, A., Schaefer, R.: IMENS Flowfield Topology Changes due to Fluid-Structure Interaction in Hypersonic Flow using ANSYS and TAU, 13. DGLR- Fach-Symposium der STAB, November 2002, TU München [to be published]