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Numerische Simulation des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags unter Turbomaschinenbedingungen

Unger, Ditmar :
Numerische Simulation des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags unter Turbomaschinenbedingungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2000)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische Simulation des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags unter Turbomaschinenbedingungen
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work treats the numerical computation of different types of transition important in turbomachinery flows. These are the "bypass-transition", the "transition in a separated shear layer" and the " wake-induced transition". Two programs offering different extended two-equation turbulence models are used and their ability to predict onset and length of the transition is investigated. The transition ois influenced by many parameters. Those parameters - the Reynolds number, the turbulence intensity, the pressure gradient, the influence of the leading edge as well as the influence of stationary wakes - are variied in different test cases and the results of the numerical computation are compared to experiments. The following conclusions can be drawn: two newer of the five turbulence models used are suited well for the prediction of transition. the damping functions of the turbulence models should be formulated as a function of turbulent Reynolds numbers rather than with the alternative dimensionless wall distance. In flows with a stagnation region a modification of the production term of turbulent kinetic energy can succesfully be used for the calculation of transitional flows in contrast to the standard formulation. the kinetic energy of the velocity fluctuations in the pretransitional boundary layer is underpredicted. This leads to numerical problems in the calculation of flows under low freestream turbulence level. On the other hand, the turbulence level in turbomachinary flows is usually high, and therefore the procedure presented can be successfully used under those conditions. Considering the conclusions of this work the design of turbomachionery profiles can be improved when using the turbulence models presented in universal Navier-Stokes programs without relying on empirical criteria for transition calculations.English
Uncontrolled Keywords: Transition, laminar-turbulenter Umschlag, Zweigleichungsturbulenzmodell, Turbulenzmodell, Navier-Stokes Verfahren
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Transition, laminar-turbulenter Umschlag, Zweigleichungsturbulenzmodell, Turbulenzmodell, Navier-Stokes VerfahrenGerman
transition, laminar-turbulent transition, two-equation turbulence model, turbulence model, Navier-Stokes codeEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:45
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000016
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-169
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael
Advisors: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd
Refereed: 27 October 1999
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/16
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