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Skalenaufgelöste Untersuchungen zur Turbulenz in transsonischen Verdichterstufen

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Der notwendige Trend zu höheren Wirkungsgraden bei gleichzeitig geringerem spezifischem Kraftstoffverbrauch führt bei der Auslegung von Hochdruckverdichtern zu immer höheren Druckverhältnissen und damit zu hochbelasteten Beschaufelungen. Dieses hochbelastete Design wird noch empfindlicher auf die verschiedenen Einflussparameter, wie z.B. Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung oder Nachlauf-Grenzschicht-Wechselwirkung, reagieren, als dies bei heutigen konventionellen Designs der Fall ist. Dieses hochkomplexe Strömungsverhalten macht sowohl die Vorhersage bestehender Verdichter als auch die Auslegung neuer hocheffizienter Verdichter schwierig und ungenau, da die heute verfügbaren Auslegungswerkzeuge diese Phänomene nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigen. Dies bedeutet, dass selbst wenn das Gesamtverhalten des Verdichters in Bezug auf integrale Bewertungsparameter wie Wirkungsgrad und Druckerhöhung korrekt vorhergesagt wird, ist dies kein zuverlässiger Indikator dafür, dass die Physik korrekt erfasst wurde. Aufgrund der Ungenauigkeit aktueller Turbulenz- und Transitionsmodelle ist die Vorhersage der oben beschriebenen Effekte, die in einzelnen Schaufelreihen auftreten, oft ungenau, und die Gesamtintegrallösungen neigen dazu, ein gewisses Maß an Modellfehlerauslöschungen zu enthalten.

 

Um diese Modelle zu verbessern, sind hochauflösende Modelldaten erforderlich. Mit der ständig wachsenden Rechenleistung, die zur Verfügung steht, werden skalenauflösende Simulationen wie LES (Large Eddy Simulation) zu einem praktikablen Werkzeug zur Erzeugung dieser Validierungsdaten. Sie können wesentlich umfassendere aero-thermische Informationen und Einblicke in die komplexen Strömungsphänomene liefern als die immer komplexeren Versuchsumgebungen, die aufgrund des begrenzten Zugangs mittels Sonden in den immer komplexeren Prüfständen, für die die Kosten zunehmend ein begrenzender Faktor sind, leiden. In den letzten Jahren wurde LES bereits erfolgreich für die Vorhersage einer Vielzahl von Turbomaschinenproblemen eingesetzt, z. B. für das aerodynamische Verhalten von Hoch- und Niederdruckturbinenkaskaden. Erfolgreiche LES-Studien haben sich auch mit Verdichterkaskaden und dem Einfluss verschiedener Turbulenzphänomene befasst, wie z. B. dem Übergang von laminarer zu turbulenter Grenzschicht aufgrund von stromauf generierten turbulenten Nachläufen rotierender Stäbe oder Verdichtungsstößen. Neben der Gewinnung neuer Erkenntnisse über die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen können die erstellten High-Fidelity-Datenbanken zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von RANS-Modellen verwendet werden. Auf diese Weise können sich High-Fidelity-Simulationen wie LES von Turbomaschinenströmungen direkt auf industrielle Entwurfsiterationen auswirken, indem sie dazu beitragen, genauere Modelle reduzierter Ordnung, z. B. RANS, zu erstellen.

Mitarbeiter

Dr.-Ing. Christoph Bode

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