Extended data basis for the critical study of CFD-results of complex internal flows
Final Report Abstract
Zur Lösung vieler Probleme in Forschung und Entwicklung ist der Einsatz numerischer Methoden heutzutage selbstverständlicher Standard. Im Bereich strömungsmechanischer Feldsimulationen (CFD = computational fluid dynamics) werden dabei zunehmend komplexere Situationen numerisch in Angriff genommen. Leider wird aber häufig übersehen, daß grundlegende Fragen noch ungelöst sind, sobald es sich um turbulente Strömungen handelt, was bei technischen Anwendungen fast stets der Fall ist. Es ist deshalb unabdingbar, verläßliche experimentelle Vergleichsdaten zur Verfügung zu haben, mit deren Hilfe numerische Ergebnisse kritisch überprüft werden können. Dies bezieht sich insbesondere auf die Turbulenzdaten. Mit den vorliegenden Ergebnissen konnte eine wesentliche Erweiterung der bisher an der Anlage aus dem ersten Förderprojekt zur Verfügung stehenden Datenbasis um Drall- und Instationaritäts-Effekte erreicht werden. Die Ergebnisse beziehen sich auf das komplexe Strömungsfeld in der Hauptkammer, das mit 3D-LDV-Messungen erfasst wurde. Die Hauptkammer besitzt entweder eine verdrahte Zuströmung oder eine instationäre Zuströmung. Variierte Parameter sind die Kennzahlen Reynoldszahl, Rotationszahl bzw. Strouhalzahl. Bei der instationären Zuströmung erfolgten die 3D-LDV-Messungen phasengetriggert. Die durchgeführten Arbeiten umfassen den experimentellen Umbau und Aufbau für drallbehaftete bzw. instationäre Innenraumströmungen, die Anpassung der LDVMesswertaufnahme speziell für die instationären, präzessierenden Strömungen, die Entwicklung von Algorithmen auf Basis eines MatLab-Programmes zur Datenverarbeitung und Ergebnis-Darstellung sowie die Präzisierung, Durchführung und Auswertung der Messungen. Es wurde eine konstruktive Lösung mit einem auswechselbaren Einsatz im Zuströmrohr realisiert, mit der in zwei Varianten die Drall- und die Präzessions-Strömung erzeugt werden kann. Der Dreheinsatz ist mit Kugellagern in Flansche eingefügt und wird mit einem Zahnkranz angetrieben. Die Flansche stellen die beidseitige Verbindung zum Zuströmrohr her. Der Drallerzeuger besteht aus dem Drehkörper mit einem Wabenkern-Einsatz, während bei dem Präzessionserzeuger in den Drehkörper ein um 15° gegen dessen Achse geneigtes Ausströmrohr eingefügt ist. Für die SDMessungen wurde das TSI-System Model 9800 mit der Transmitterbox Colorburst eingesetzt. Das System besitzt zwei fasergekoppelte Sende/Empfangsmodule, deren gemeinsames Messvolumen mit Hilfe einer Traversiereinrichtung mit einer Genauigkeit von ± 5 um positioniert werden kann. Anhand von Vorversuchen wurden Messpositionen ausgewählt für die mittlere Geschwindigkeiten, Schwankungsgeschwindigkeiten und Spannungstensor in Abhängigkeit der Kennzahlen bestimmt wurden. Bei den Drallversuchen wurde auf einer Messlinie zusätzlich die zeitgemittelte x-Komponente der Wirbelstärke bestimmt. Die Reynoldszahl Re der Zuströmung wurde von 1.04-104 bis 3.12-104 variiert. Der Bereich der Rotationszahl Ro reichte von 0,126 bis 0,503. Insgesamt liegen damit umfangreiche experimentelle Daten zu verdrallten und instationären Raumströmungen vor, die für einen Vergleich mit numerischen Simulationen und der Absicherung von Turbulenzmodellen genutzt werden können. Durch die neu hinzutretenden Aspekte einer drallbehafteten bzw. instationären Strömung liegen Vergleichsfälle vor, die für verfahrenstechnische bzw. energietechnische Anwendungen unmittelbar relevant sind, da beide Aspekte in solchen Strömungssituationen häufig vorkommen. Die Daten werden als "test case" in eine geeignete ERCOFTAC-Datenbank eingestellt, bsw. ERCOFTAC Classic Database (ERCOFTAC = European Research Community on Flow, Turbulence and Combustion).
