Direkte Numerische Simulation des Einflusses von Freistromturbulenz auf den Wärmeübergang in laminaren und transitionalen Grenzschichten an Turbinenschaufeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Turbulenz in der Anströmung kann einen starken Einfluss auf den Wärmeübergang an Turbinenschaufeln haben und dieser muss deshalb verstanden werden und berechenbar sein, um die Schaufeln optimal kühlen zu können. Es treten hier hauptsächlich zwei Effekte auf, zum einen eine Vorverlagerung des laminar-turbulenten Umschlags auf der Saugseite, die aufgrund der entstehenden Turbulenz zu einer Erhöhung des Wärmeübergangs führt, sowie andererseits eine Erhöhung des Wärmeübergangs in den Teilen der Grenzschicht, die laminar bleiben, so der prätransitionale Teil auf der Saugseite und gewöhnlich die gesamte Druckseite. Die Mechanismen, vor allem beim „laminaren" Wärmeübergang, sind noch nicht ausreichend geklärt und auch eine verlässliche Vorhersage des Freiströmturbulenzeinflusses ist schwierig. Da die Reynoldszahlen in laminaren und transitionalen Grenzschichten an Turbinenschaufeln relativ niedrig sind, ist eine Direkte Numerische Simulation (DNS) der Strömungs- und Wärmeübergangsvorgänge möglich und die DNS ist in der Tat ein ideales Werkzeug zum Erforschen aller Details der komplexen physikalischen Vorgänge und zur Bereitstellung von Daten zur Entwicklung einfacherer Modelle. Daher sollten aufbauend auf DNS-Erfahrungen in einem Vorgängerprojekt nun umfassende DNS-Rechnungen mit Wärmeübergang durchgeführt werden, und zwar hauptsächlich zum Problemkreis der Erhöhung des Wärmeübergangs in laminaren Grenzschichten durch Außenturbulenz. Zunächst wurde zur Erzeugung von Einströmdaten, die repräsentativ für das Nahfeld eines Zylindernachlaufs sein sollen, DNS-Rechnungen für die Strömung um einen Kreiszylinder durchgeführt. Hierfür wurden die im Abstand von sechs Durchmessern erzielten Daten analysiert und bereit gestellt. Die Studie lieferte aber auch wichtige neue Details über die komplexen Vorgänge im Nahfeld des Zylinders mit instationärer Wirbelablösung. Eine Verwendung dieser Daten als Einströmbedingungen für die Berechnung der Verhältnisse in einem Turbinengitter mit periodisch einströmenden Nachläufen, die als Wiederholung einer DNS im Vorläuferprojekt mit dort verwendeten Fernfeldnachlaufdaten durchgeführt wurde, ergab allerdings keine wesentliche Veränderung gegenüber den früheren Rechnungen. Die Unterschiede im Wärmeübergang zu dem Anfang der 90er Jahre durchgeführten Experiment konnten leider nicht mehr geklärt werden. Weiter wurde eine DNS-Rechnung durchgeführt für die Grenzschicht entlang einer beheizten ebenen Platte mit 5% Gitterturbulenz an der Einströmung und zunehmender/abnehmender Beschleunigung der Außenströmung. Im Anfangsbereich bildeten sich Turbulenzflecken aus, die zu einem erhöhten Wärmeübergang führten, es folgte dann im Beschleunigungsbereich eine Relaminarisierung mit Strecken der Außenturbulenzwirbel und Ausbildung von streaks, die ebenfalls zu einer mäßigen Erhöhung des Wärmeübergangs führten. Weiter wurde der experimentell häufig untersuchte Einfluss von Anströmturbulenz auf den Wärmeübergang im Staupunktbereich an Kreiszylindem, für den es zuverlässige Korrelationen gibt, mit Hilfe von DNS berechnet, und zwar sowohl mit Gitterturbulenz in der Anströmung bei relativ hohem Re = 140.000, als auch mit Nachlaufturbulenz, die wieder von der oben beschriebenen Zylinder-Rechnung stammte. Es wurden die Experimente von Magari und LaGraff (1994) nachempfunden, allerdings mit wesentlich weiter separierten Zylindern als im Experiment und niedrigerer Reynoldszahl. Die DNS ergab Detailinformationen über die Verformung der ankommenden Wirbel im Staupunktgebiet, das Auftreffen der Wirbel auf die Zylinderoberfläche und die Ausbildung von Längswirbeln sowie die zeitlich und räumlich aufgelösten Wärmeübergangsvorgänge. Weiter stimmt die Erhöhung des Wärmeübergangs sowohl bei Gitter- als auch Nachlaufturbulenz gut mit der Korrelation von Dullenkopf und Mayle (1994) überein. Die eigentlichen Experimente von Magari und LaGraff mit geringem Abstand der Zylinder und wesentlich höherem Re werden außerhalb des Vorhabens am Institut für Thermische Strömungsmaschinen in der Forschungsgruppe „Turbo-DNS" nachgerechnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2006). Direct Numerical Simulation of flow and heat transfer in a turbine cascade with incoming wakes. J. Fluid. Mech., Vol. 569, pp 209-247
Wissink, J.G. and Rodi, W.
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(2008). Numerical study of the near-wake of a circular cylinder. Int. J. of Heat and Fluid Flow, Vol. 29, pp. 1060-1070
Wissink, J.G. and Rodi, W.
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(2009). DNS of heat transfer in transitional, accelerated boundary layer flow over a flat plate affected by free-stream fluctuations. Int. J. of Heat and Fluid Flow, Vol. 30, pp. 930-938
Wissink, J.G. and Rodi, W.
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(2010). Heat transfer from the stagnation area of a heated cylinder at RCD = 140000 affected by free-stream turbulence. Proc. 8th Int. Symp. on Engineering Turbulence Modelling and Measurements - ETMM8, Marseille, June 2010
Wissink, J.G. and Rodi, W.
