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Numerische Simulation des Grenzschichtverhaltens in Turbinengittern unter periodisch-instationären Strömungsbedingungen

Thurso, Jens :
Numerische Simulation des Grenzschichtverhaltens in Turbinengittern unter periodisch-instationären Strömungsbedingungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Titel, Inhalts-/Formelverz., Kap. 1-5 - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische Simulation des Grenzschichtverhaltens in Turbinengittern unter periodisch-instationären Strömungsbedingungen
Language: German
Abstract:

Die enge Bindung aerodynamischer Verluste in Turbinengittern an den Zustand und die Entwicklung der Profilgrenzschichten erfordert für zukünftige Auslegungsverfahren, den inhärent instationären Charakter von Turbinenströmungen zu berücksichtigen sowie eine effiziente, zeitgenaue Beschreibung der relevanten Strömungsbereiche zu ermöglichen. Mit vielversprechenden Berechnungsverfahren und Modellierungsansätzen zielt diese Arbeit auf die numerische Simulation periodisch-instationärer und transitionaler Strömungen, wie sie für axiale, ebene Turbinengitter von Bedeutung sind. Die Grundlage der Simulationen bilden lineare und nichtlineare Wirbelviskositäts-Turbulenzmodelle sowie deren Implementierung in zwei CFD-Verfahren. Die Auswahl von Testfällen auf der Basis experimenteller Untersuchungen und direkter numerischer Simulationen orientiert sich am charakteristischen Strömungsfeld einer Turbinenstufe, das sowohl nichtturbulente, rein periodische Störungen als auch stochastisch-turbulente Fluktuationen beinhaltet. In diesem Zusammenhang werden rein oszillierende Grenzschichtströmungen, laminare Ablöseblasen unter stationären und periodisch-instationären Strömungsbedingungen sowie instationär mit Nachlaufsegmenten beaufschlagte Platten- und Turbinengitterströmungen analysiert. Die untersuchten linearen und nichtlinearen k-epsilon Modelle erlauben eine plausible Wiedergabe der Testfälle, in denen die Hauptströmung lediglich deterministischen Schwankungen unterworfen ist. Insbesondere ist es möglich, für den Fall der ablösungsinduzierten Transition die experimentell ermittelte Wirkung der Instationarität vorherzusagen. Dagegen zeigen Berechnungen mit diesen Modellen, in denen die turbulenten Fluktuationen typischer Nachlaufströmungen einbezogen sind, eine zu rasche Entstehung und Fortpflanzung von turbulenten Grenzschichtbereichen. Die Verwendung einer zusätzlichen Transportgleichung im Rahmen der v2-f-Modellvarianten berücksichtigt die Relevanz der wandnormalen turbulenten Fluktuationen im Transitionsprozess. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, kann dies im Falle der nachlaufinduzierten Transition zu signifikant verbesserten Ergebnissen führen. Neben zahlreichen Erkenntnissen zum Potenzial bestehender Berechnungsansätze trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, Unzulänglichkeiten in den Modellierungsansätzen zu identifizieren und Ansatzpunkte für mögliche Modellverbesserungen bereitzustellen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
As aerodynamic losses in turbine cascades are substantially related to the state and development of blade boundary layers, future design procedures require a consideration of the inherently unsteady nature of turbine flows and an efficient, time-accurate prediction of relevant flow regions. Focusing on promising calculation schemes and modelling approaches, this work is devoted to the numerical simulation of periodic-unsteady and transitional flows pertaining to axial turbine cascades. Evaluating meaningful test cases, the simulations are based on linear and non-linear eddy-viscosity turbulence models and their implementation in two CFD codes. The selection of test cases based on experimental works and data from direct numerical simulations considers the characteristics of turbine flow fields, which include both non-turbulent, purely periodic disturbances and stochastic-turbulent fluctuations. In this context, oscillating boundary layer flows, laminar separation bubbles under steady and periodic-unsteady flow conditions as well as flat plate and turbine cascade flows being subjected to the unsteady impingement of wake segments are investigated. As for the linear and non-linear k-epsilon turbulence models in use, a plausible reproduction of flow features can be achieved if the main flow is exposed to merely deterministic fluctuations. In particular, experimentally established effects of unsteadiness on transition induced by laminar separation bubbles can be captured. For models of the k-epsilon type, a too rapid generation and propagation of turbulent flow regions is observed for simulations of test cases involving turbulent fluctuations of typical wake flows. By including an additional transport equation in the higher-order framework of the v2-f model variants, the relevance of wall-normal fluctuations for the transition process is taken into account. This may lead to a significant improvement of simulation results for wake-induced transition, as it is shown in this work. In addition to demonstrating the potential of existing model approaches, this work contributes to the identification of model shortcomings and thus offers starting-points for specific improvements.English
Uncontrolled Keywords: CFD, Turbomaschinen, Turbulenzmodellierung, Wirbelviskositätsmodelle
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
CFD, Turbomaschinen, Turbulenzmodellierung, WirbelviskositätsmodelleGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000217
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2173
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd and Janicka, Prof. Dr.- Johannes
Advisors: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd
Refereed: 9 January 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/217
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