Numerische Untersuchung der Stoß-Grenzschicht Wechselwirkung in schwingenden Turbomaschinengittern

Betreuer: Dipl.-Ing. Stephan Schmidt

Ziel bei der Entwicklung heutiger Energiewandlungsmaschinen ist die Steigerung des Wirkungsgrads aufgrund wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte. Im Bereich der Turbomaschinen werden zur Optimierung der Strömungsvorgänge in zunehmenden Maße numerische Verfahren eingesetzt. Mit Hilfe numerischer Simulationen lassen sich Strömungsphänomene gezielt untersuchen, um so zu einem tieferen Verständnis der physikalischen Zusammenhänge zu gelangen. Die Weiterentwicklung numerischer Simulationsprogramme ist notwendig, um die in den Programmen implementierten Modelle zu verbessern und damit die Vorhersagegenauigkeit numerischer Verfahren zu erhöhen.

Im Rahmen dieses Dissertationsvorhabens sollen numerische Simulationsrechnungen durchgeführt werden, um verschiedene Strömungsphänomene und deren Einfuß auf die Grenzschicht zu untersuchen. Am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen (IST) der RWTH Aachen ist zu diesem Zweck ein Navier-Stokes Strömungslöser entwickelt worden, der auf den Reynolds-gemittelten Erhaltungsgleichungen basiert.

Numerische Untersuchung der Stoß-Grenzschicht

In Turbomaschinen kann es durch Druckfluktuationen zu einer Schwingungsanregung der Schaufeln kommen, die im Resonanzfall zu starken Materialbelastungen bis hin zum Versagen führen können. Dieses sogenannte Flattern hat Einfluß auf die Ablösung der Strömung und führt in Überschallströmungen zu einem Wandern der Stoßposition. Die Berücksichtigung des Transitionsvorgangs spielt dabei eine wichtige Rolle, da der Grenzschichtzustand vor dem Verdichtungsstoß entscheidend das Ablöseverhalten der Strömung bestimmt. Durch Rotor-Stator Interaktion hervorgerufene periodisch instationäre Störungen der Grenzschicht durch Nachlaufeffekte beeinflussen ebenfalls den Transitionsvorgang. Neben dieser Wechselwirkung soll weiterhin die Wirkung der Rotor-Stator Interaktion auf das Schaufel-Flattern untersucht werden. Hierfür ist eine ausreichende Auflösung der relevanten Phänomene in der Grenzschicht notwendig. Vorhandene Rechnungen haben gezeigt, daß diesbezüglich Defizite bestehen. Der Einfluß der in den Strömungslöser integrierten Turbulenz- und Transitionsmodelle soll daher eingehend untersucht und die Modelle gegebenenfalls erweitert werden. Dabei sollen auch Fragen der Abhängigkeit der Stabilität der numerischen Lösung von der Turbulenzmodellierung berücksichtigt werden. Um die Grenzschicht besser auflösen zu können, ist zudem die Implementierung eines Multiblock-Verfahrens geplant. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse stehen experimentelle Daten aus Messungen am IST zur Verfügung.