Numerische Untersuchungen zum Einfluss der Spaltströmung und der Corioliskraft auf die wandnahe Strömung in einer Verdichterstufe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 365409499

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Turbomaschinen zur Steigerung von Druckverhältnissen, Reduzierung der Schaufelzahl, sinkendem Schaufelhöhenverhältnis, vermehrter Teillastbeanspruchung, etc., führen zu einem immer stärkeren Einfluss der Strömung im Seitenwandbereich auf die Maschine insgesamt. Vor allem Betriebsverhalten, Verluste und Wärmeübergang werden von diesem Strömungsbereich wesentlich beeinflusst. Die dabei auftretenden Mechanismen sind jedoch trotz langjähriger Forschung immer noch nicht voll verstanden, so dass durch den aktuellen technischen Fortschritt starker Bedarf an entsprechenden Grundlagenuntersuchungen besteht. Dieses Defizit wird durch einen gemeinsamen Paketantrag von vier Arbeitsgruppen an TU Dresden, UniBw München und RU Bochum adressiert, bei dem sorgfältig abgestimmte Simulationen und Experimente eingesetzt werden, um entsprechende Erkenntnisse zu gewinnen. Neben der Untersuchung des Wärmeübergangs und der Weiterentwicklung methodischer Werkzeuge besteht eine wesentliche Zielrichtung des Pakets in der detaillierten Analyse der Effekte, die durch die Systemrotation hervorgerufen werden. Hierzu werden speziell konzipierte und aufeinander abgestimmte Konfigurationen untersucht und miteinander verglichen.Das vorliegende Teilvorhaben der Professur für Strömungsmechanik, TU Dresden, verfolgt dabei zwei Ziele. Erstens soll die Physik der Sekundärströmungen im wandnahen Bereich rotierender Axialverdichtergitter untersucht und der im ebenen Gitter gegenübergestellt werden. Zweites Ziel ist die Entwicklung einer verlässlichen turbulenzauflösenden Simulationsmethodik für Turbomaschinengitter. Die physikalischen Aspekte werden mit Hilfe von DNS und LES für Konfigurationen angegangen, die in einem Partnerprojekt experimentell untersucht werden, was verlässliche Validierung ermöglicht. Diese aufwändigen und genau kontrollierten Simulationen können sehr reichhaltige Daten generieren und beispielsweise Informationen über Transitions-effekte liefern. Durch Untersuchung verschiedener Konfigurationen ohne und mit Rotation soll die Abhängigkeit der wandnahen Strömung von Zuströmbedingungen und Auswirkungen der Systemrotation untersucht werden, darunter Corioliskraft, Fächerung, radialer Druckgradient, Relativbewegung der Seitenwand und Verwindung der Zulaufgrenzschicht. Die methodischen Arbeiten zur Simulationstechnik betreffen neben Visualisierung und Post-Processing vor allem die Erprobung und Weiterentwicklung von Feinstruktur- und Wandmodellen für LES. Hier besteht großer Bedarf an verbesserten, gut auf den Turbomaschinenbereich abgestimmten Verfahren. Die Auswertung der gewonnenen Simulationsdaten erfolgt gemeinsam mit den Projektpartnern, indem Resultate verschiedener Methoden für dieselbe Konfiguration verglichen werden - etwa Experiment, URANS, LES - oder Resultate verschiedener Konfigurationen, darunter auch zwischen Verdichter- und Turbinenströmungen, so dass ein sehr weiter Parameterbereich abgedeckt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen