Numerische Simulation des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags unter Turbomaschinenbedingungen

• Main Author: Unger, Ditmar
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2000
• Online Access: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/16/1/diss_unger_pdf1.2.pdf; Unger, Ditmar <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Unger=3ADitmar=3A=3A.html> : Numerische Simulation des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags unter Turbomaschinenbedingungen. [Online-Edition] Technische Universität, Darmstadt [Ph.D. Thesis], (2000)

Der Widerstand, den das Profil einer Turbomaschine in der Strömung erfährt, wird entscheidend davon geprägt, ob die Strömung laminar, transitional oder turbulent ist. In modernen Auslegungen wird eine laminare Strömung in Vorderkantennähe eines Schaufelprofils angestrebt, da dort infolge des geringeren Impulsaustausches die Reibung deutlich geringer ist als in einer turbulenten Strömung. Gleichzeitig neigt die laminare Grenzschicht in Gebieten mit einem positiven Druckgradienten aber viel eher zur Ablösung, so daß hier zur Vermeidung großer Verluste die Transition von der laminaren in die turbulente Strömung einsetzen muß. Die vorliegende Arbeit stellt sich die Aufgabe der Berechnung von Transitionsarten wie sie für Turbomaschinen typisch sind. Dies sind die "Bypass-Transition", der "Umschlag in einer abgelösten Scherschicht" sowie die "nachlaufinduzierte Transition". Die Simulation erfolgt unter Verwendung zweier Programme zur numerischen Strömungsberechnung unter Verwendung verschiedener, erweiterter Zweigleichungsturbulenzmodelle. Dabei wird die Eignung dieser für die Behandlung wandnaher Effekte erweiterten Turbulenzmodelle untersucht, aus sich heraus den Einsatzort und die Länge der Transition vorherzusagen. Die Transition wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflußt. Diese Parameter - die Reynoldszahl, der Turbulenzgrad, der Druckverlauf, der Vorderkanteneinfluß sowie stationäre Nachläufe - werden in ausgewählten Testfällen variiert und die Ergebnisse der numerischen Simulationen vergleichend Windkanalmessungen gegenübergestellt. Es können folgende Schlußfolgerungen gezogen werden: zwei neuere der insgesamt fünf eingesetzten Turbulenzmodelle eignen sich gut zur Vorhersage der Transition bei für Turbomaschinen typischen Anwendungen. Die Abhängigkeit einer der Dämpfungsfunktionen der Turbulenzmodelle von einer turbulenten Reynoldszahl ist besser zur Transitionsberechnung geeignet als die alternative Formulierung unter Verwendung des dimensionslosen Wandabstands. Bei Strömungen mit Staupunkt kann eine Modifikation des Produktionsterms turbulenter kinetischer Energie gegenüber der Standardformulierung auch zur Transitionsberechnung erfolgreich angewendet werden. Die kinetische Energie der Geschwindigkeitsschwankungen in der prätransitionalen Grenzschicht wird zu klein berechnet. Dies führt zu numerischen Problemen bei der Berechnung von Strömungen mit geringem Außenturbulenzgrad. Da aber in Turbomaschinen Strömungen mit in der Regel hohem Turbulenzgrad vorliegen, können diese Verfahren unter diesen Bedingungen gewinnbringend zur Transitionsberechnung eingesetzt werden. Bei Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse lassen sich mit den behandelten Turbulenzmodellen in allgemeinen Navier-Stokes Verfahren der numerischen Strömungsmechanik unter Verzicht auf empirische Kriterien deutliche Verbesserungen in der Auslegung von Profilen für Turbomaschinen erreichen.