EW-5 Nachwuchsgruppe Multiphysik turbulenter Strömungen

Die Nachwuchsgruppe Multiphysik turbulenter Strömungen beschäftigt sich mit dem Einfluss von turbulenten und transitionellen strömungsphysikalischen Effekten auf die Aerodynamik von Turbomaschinen. Ziel der Arbeiten ist dabei sowohl die Generierung physikalischen Grundlagenverständnisses mittels turbulenzauflösender Simulationen und experimenteller Untersuchungen an den Prüfständen des TFDs als auch darauf aufbauend die physikalische Modellbildung im Hinblick auf die Auslegung von Turbomaschinen mit RANS-Verfahren. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind die aktive und passive Beeinflussung transitioneller Grenzschichten in Niederdruckturbinen (NDT), der Einfluss anisotroper Oberflächenstrukturen auf turbulente und transitionelle Grenzschichten, der Einfluss periodisch-instationärer, turbulenter Turbinennachläufe auf die Stabilität hochbelasteter Axialdiffusoren und der Profilaerodynamik von Niederdruckturbinen, als auch die bessere Vorhersage aeroelatischer Kenngrößen und transienter Effekte, hevorgerufen durch betriebsbedingte Schwingungen der Turbomaschinen-Beschaufelung. 

Aktuell werden Strömungen in Turbomaschinen mit skalenauflösenden numerischen Methoden untersucht. Unter anderem werden dabei Kaskaden für Niederdruckturbinen mit Grobstruktursimulationen (LES) berechnet, um den Einfluss einer hochaufgelösten Grenzschichtströmung auf die Profilbelastung und auf die Profilabströmung zu analysieren. Darüber hinaus werden oszillierende Schaufeln mit skalenauflösenden Methoden untersucht, um ein Verständnis für die instationären aerodynamischen Prozesse zu entwickeln, welche auch bei Flatterschwingungen oder fremd angeregten Schwingungen von Schaufelprofilen in Turbomaschinen auftreten. Beispielhaft ist in Abbildung 1 eine idealisierte Schaufelschwingung und in Abbildung 2 die zugehörigen phasengemittelten Druckverteilungen für verschiedene Schaufelpositionen während eines Schwingungsdurchgangs dargestellt.

Diese Schaufeln werden in Schwingungen versetzt, um Erkenntnisse zum Schaufel-Flatter-Verhalten, als auch für die aeroelastische Dämpfung und die aeroelastische Arbeit zu erhalten. Ein weiteres Forschungsprojekt der Nachwuchsgruppen ist das Teilprojekt B3 "Verluste komplexer Oberflächenstrukturen " im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 871. Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der Auswirkungen von komplexen Oberflächenstrukturen auf die Grenzschichtströmung von Triebwerksbeschaufelungen. Hierfür wird unter anderem in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mehrphasenprozesse eine Methode zur Analyse wandnaher Strömungen in einem Wasserkanal mit komplexen Oberflächenstrukturen auf Basis von brechungsindexangepassten Hydrogelen entwickelt. In Kombination mit der Particle Image Velocimetry (PIV) wird damit eine experimentelle Untersuchung der Strömung direkt an und zwischen den Oberflächenstrukturen ermöglicht. In Abbildung 3 ist schematisch die Durchströmung von Kanälen mit Rauheiten verschiedener Anisotropien dargestellt. Zusätzlich zeigt Abbildung 4 schematisch den Einfluss von Rauheiten auf die Aerodynamik einer Turbomaschine am Beispiel einer Verdichterkaskade. 

Außerdem wird innerhalb der Gruppe in Kooperation mit dem Triebwerkshersteller MTU Aero Engines das Projekt "Bewertung neuartiger Niederdruckturbinenschaufeln mittels skalenauflösender Simulationen" im Rahmen des 5. Luftfahrtforschungsprogramms bearbeitet.  Im Rahmen dieses Projektes wird ein numerischer Prüfstand entwickelt mit dem Ziel aktuelle, noch völlig unbekannte und konzeptionell neue Niederdruckturbinen-Beschaufelungen detailliert aerodynamisch zu analysieren. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf der Wiedergabe des Einflusses turbulenter Zuströmbedingungen, inklusive Freistromturbulenz und Nachläufe. Hierfür wurde eine eigene sogenannte W-DFSEM Randbedingung entwickelt, die erst die Aufprägung von Nachläufen und Feistromturbulenz in skalenauflösenden Simulationen von Turbomaschinen-Kaskaden ermöglicht. Das Funktionsprinzip der W-DFSEM ist schematisch dargestellt in Abbildung 5. In Abbildung 6 wiederum sind beispielhaft mit dieser Randbedingung erzeugte Nachläufe für die skalenauflösende Simulation einer Niederdruckturbinen-Kaskade abgebildet.

• Dipl.-Ing. Lars Wein
  Kommissarischer Gruppenleiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 2347
  E-Mail: wein tfd.uni-hannover.de

• Kenan Cengiz, Ph. D.
  Wissenschaftlicher Mitarbeiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 2529
  E-Mail: cengiz tfd.uni-hannover.de

• Dipl.-Ing. Philipp Gilge
  Geschäftsführer SFB871
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 5180
  E-Mail: gilge tfd.uni-hannover.de

• Sebastian Kurth, M. Sc.
  Wissenschaftlicher Mitarbeiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 2751
  E-Mail: kurth tfd.uni-hannover.de

• Felix Schwarzbach, M.Sc.
  Wissenschaftlicher Mitarbeiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 8925
  E-Mail: schwarzbach tfd.uni-hannover.de

• Hendrik Seehausen, M.Sc.
  Wissenschaftlicher Mitarbeiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 17862
  E-Mail: seehausen tfd.uni-hannover.de

• Mark Zieße, M.Sc.
  Stellv. Gruppenleiter
  Multiphysik turbulenter Strömungen
  Telefon: +49 511 762 2242
  E-Mail: ziesse tfd.uni-hannover.de

Universitärer Kooperationspartner

• Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS), TU Braunschweig
• Institut für Mehrphasenprozesse (IMP), Leibniz Universität Hannover

1.    Mimic, D.; Jätz, C.; Sauer, P.; Herbst, F. (2019): Total Pressure Loss Reduction in Annular Diffusers , International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems (JGPP), April 2019, Volume 10, Number 2
2.    Bode, C.; Friedrichs, J.; Frieling, D.; Herbst, F. (2018): Improved Turbulence Prediction in Turbomachinery Flows and The Effect on Three-Dimensional Boundary Layer Transition, Int. J. Turbomach. Propuls. Power 2018, 3(3), 18  DOI: 10.3390/ijtpp3030018
3.    Liu, X.; Willeke, T.; Herbst, F.; Yang, J.; Seume, J.R. (2018): A Theory on the Onset of Acoustic Resonance in a Multistage Compressor, J. Turbomach 140(8), 081003 (Jul 24, 2018) (12 pages) DOI: 10.1115/1.4040551
4.    Mimic, D.; Drechsel, B.; Herbst, F. (2018): Correlation Between Pressure Recovery of Highly Loaded Annular Diffusers and Integral Stage Design Parameters, J. Turbomach 140(7), 071002 (May 17, 2018) (11 pages)  DOI: 10.1115/1.4039821
5.    Mimic, D.; Jätz, C.; Herbst, F. (2018): Correlation between total pressure losses of highly loaded annular diffusers and integral stage design parameters, Journal of the Global Power and Propulsion Society. 2: 388-401 DOI: 10.22261/JGPPS.I9AB30
6.    Gilge, P.; Hohenstein, S.; Seume, J.R. (2017): Experimental Investigation of the Aerodynamic Effect of Local Surface Roughness on a Turbine Blade, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems, October 2017, Volume 9, Number 3, pp.12-21  
7.    Koepplin, V.; Herbst, F.; Seume, J.R. (2017): Correlation-Based Riblet Model for Turbomachinery Applications, J. Turbomach 139(7), 071006, Feb 28, 2017,10 pages  DOI: 10.1115/1.4035605
8.    Müller-Schindewolffs, C.; Baier, R.-D.; Seume, J.R.; Herbst F. (2017): Direct Numerical Simulation Based Analysis of RANS Predictions of a Low-Pressure Turbine Cascade, J. Turbomach 139(8), 081006, Mar 21, 2017,11 pages  DOI: 10.1115/1.4035834
9.    Seehausen, H., Gilge, P., Kellersmann, A., Friedrichs, J., and Herbst, F., (2019): Numerical Study of Stage Roughness Variations in a High Pressure Compressor, to appear in Proceedings, International Gas Turbine Congress 2019.
10.    Zieße, M., Müller-Schindewolffs, C., Seume, J., and Herbst, F. (2019): Enhanced Synthetic-Eddy-Method for Generating Moving Incoming Wakes and Turbulence in Scale-Resolving Simulations, to appear in Proceedings, International Gas Turbine Congress 2019.
11.    Schwarzbach, F., Mimic, D., and Herbst, F. (2019): Profile Aerodynamics of an Oscillating Low-Pressure–Turbine Blade, to appear in Proceedings, International Gas Turbine Congress 2019.
12.    Mimic, D., and Herbst, F. (2019): Influence of Transonic Flow on the Tip-Leakage Vortex in a Turbine Cascade, to appear in Proceedings, International Gas Turbine Congress 2019.
13.    Mimic, D., Oettinger, M., Sauer, P., Herbst, F. (2019): Shock-Vortex Interaction in a Transsonic Turbine Cascade, Proceedings of Global Power and Propulsion Society, September 16-18 September, 2019, Beijing China
14.    Hain, R.; Fuchs, T.; Wein, L.; Kluge, T.; Seume, J.; Kähler, C. J. (2019): Stereoscopic PTV measurements in the housing/rotor cavity of a shrouded turbine rotor, Proceedings of the 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry 2019
15.    Bode, C.; Friedrichs, J.; Kellersmann, A.; Herbst, F.; Seume, J.R. (2018): Modeling Transient Aircraft Engine Operation, 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XIII), 2nd Pan American Congress on Computational Mechanics (PANACM II), July 22-27, 2018, New York, NY, USA
16.    Gilge, P.; Seume, J.; Mulleners, K. (2018): Effect Of Surface Roughness On The Characteristic Length Scales In The Wake Of A Compressor Blade: A POD Analysis, 19th International Symposium on the Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, 16-19 July 2018, Lisbon, Portugal
17.    Gilge, P.; Seume, J.R.; Mulleners, K. (2018): Analysis of Local Roughness Combinations on the Aerodynamic Properties of a Compressor Blade, 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA, AIAA2018-0345  DOI: 10.2514/6.2018-0345
18.    Henke, M.; Herbst, F.; Rätz, H.; Seume, J.R. (2018): A New Facility for Dynamic Turbomachinery and Wind-Tunnel Testing, XXIV Biannual Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery Transonic and Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines
19.    Herbst, F.; Müller-Schindewolffs, C.; Schwarzbach, F.; Zieße, M.; Bode, C. (2018): Appropriate Inlet Boundary Conditions for Scale-Resolving Simulations of Turbomachinery Configurations, 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XIII), 2nd Pan American Congress on Computational Mechanics (PANACM II), July 22-27, 2018, New York, NY, USA
20.    Jätz, C.; Mimic, D.; Herbst, F.; Seume, J.R. (2018): Prediction Performance of the k-ε Elliptic-Blending Turbulence Model in Axial Diffusers, Proceedings of Asian Congress on Gas Turbines (ACGT) 2018, 22-24 August 2018, Morioka, Japan, ACGT2018-TS48  
21.    Koepplin, V.; Seume, J.R.; Herbst, F. (2017): Investigation of Local Flow Phenomena of Misaligned Riblets in a Turbulent Boundary Layer, European Drag Reduction and Flow Control Meeting, 6 April 2017, Frascati, Rome, Italy.   
22.    Schwarzbach, F.; Müller-Schindewolffs, Chr.; Bode, Chr.; Herbst, F.: THE EFFECT OF TURBULENT SCALES ON LOW-PRESSURE TURBINE AERODYNAMICS PART B: SCALE RESOLVING SIMULATIONS. ASME 2018 Turbo Expo, angenommen, 2018.
23.    Esch C., Mueller M., Gryshkov O., Knigge S., Glasmacher B., Visualization of hemodynamics: synthesis of artificial erythrocytes with encapsulated PIV-particles via microfluidic systems and electrospraying, Int J Artif Organs. 41(9):567, 2018 DOI:10.1177/0391398818785526
24.    Rusiecki T., Mueller M., Glasmacher B., Characterization of poly-sodiumacrylate-co-acrylamide hydrogels for PIV based in vitro flow analysis, Int J Artif Organs. 41(9):568, 2018 DOI:10.1177/0391398818785526
25.    T. Rusiecki, P. Gilge, F. Herbst, M. Mueller, J. Seume, B. Glasmacher, A Novel nanocomposite hydrogel ink formulation for UV-based 3D printing, Int J Artif Organs 2019;42(8):441
26.    C. M. Winkler, M. Mueller, B. Glasmacher, Visualization of hemodynamics: Fabrication of artificial erythrocytes with encapsulated PIV-particles via membrane emulsion technology system, Int J Artif Organs 2019;42(8):437, 2019
27.    M. Mueller, T. Rusiecki, B. Glasmacher, Hydrogel coatings to improve hemocompatiblity and compliance of electrospun vascular grafts, IUPESM 2018: World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Prague, Czech Republic, 4th June, 2018
28.    T. Rusiecki, M. Mueller, S. Knigge, B. Glasmacher, Light transmission refractometry for multi-phase polymers., IUPESM 2018: World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Prague, Czech Republic, 6th June, 2018

Dipl.-Ing. Lars Wein
Kommissarischer Leiter der Nachwuchsgruppe Multiphysik turbulenter Strömungen
Leibniz Universität Hannover
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD)
Appelstraße 9
D-30167 Hannover

Tel.: +49 511/762- 2347
E-Mail: wein@tfd.uni-hannover.de