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Numerische Berechnung transitionaler Grenzschicht-Strömungen in axialen Turbinengittern

Breitbach, Christian :
Numerische Berechnung transitionaler Grenzschicht-Strömungen in axialen Turbinengittern.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische Berechnung transitionaler Grenzschicht-Strömungen in axialen Turbinengittern
Language: German
Abstract:

Bei der Auslegung und Konstruktion moderner Flugtriebwerke geht der Trend zur Gewichts- und Größenreduktion der einzelnen Komponenten. Versucht man die gleiche Leistungsumsetzung, z.B. im Niederdruckturbinenteil, mit weniger Stufen, d.h. weniger Turbinenschaufeln, zu erreichen, so erhöht sich unweigerlich die aerodynamische Belastung jeder einzelnen Schaufel. In der Nutzung instationärer Effekte (z.B. nachlaufinduzierter Grenzschichtumschlag), die durch das Werkzeug der numerischen Strömungssimulation in geeigneter Weise beim Schaufeldesign berücksichtigt werden können, liegt das Potential für weitere Auftriebserhöhungen. Ziel der Arbeit war die Weiterentwicklung eines inkompressiblen, zweidimensionalen Berechnungsverfahrens zur Untersuchung instationärer, reibungsbehafteter Strömungen durch den Niederdruckturbinenteil von Gasturbinen. Nach der Klärung der abzubildenden Strömungsphänomene wurden zwei 2-Schichten Turbulenzmodelle gewählt und in den Navier-Stokes Code NS2D implementiert. Die Modelle wurden erstmals auf alle für Turbomaschinen wichtigen Formen der Transition (laminar-turbulenter Umschlag) angewendet (Bypass-Transition, Transition über eine abgelöste Scherschicht, nachlaufinduzierte Transition und Relaminarisierung). Bei der Berechnung der Testfälle, bei denen die einzelnen Umschlagsformen separiert betrachtet wurden, konnte bis auf eine Ausnahme eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten und den numerischen Ergebnissen erzielt werden. Beim abschließenden Testfall, der Berechnung der Umströmung zweier hintereinander liegender Turbinenschaufeln, bei dem mehrere Transitionsformen gleichzeitig auftraten, konnte das Verlustverhalten der Schaufeln nur unzureichend durch die Modelle wiedergegeben werden. Der Transitionszustand der Grenzschichten konnte allerdings zufriedenstellend abgebildet werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The main direction in the design of modern civil jet engines is the reduction of weight and size of the individual components (eg low pressure turbine). By reducing the number of blades in a low pressure turbine stage each blade must carry a greater aerodynamic load. The potential for a further increase of lift can be develped by using unsteady effects like the wake boundary layer interaction. These effects can be integrated into the design process by the application of numerical fluid dynamics. This work continued the development of an incompressible, two-dimensional numerical method for the calculation of unsteady, viscous flows through low pressure turbines. Two two-layer turbulence models were selected and implemented into the Navier-Stokes code NS2D. These models were applied to the calculation of the most important modes of transition (by-pass transition, separated flow transition, wake-induced transition and relaminarization). In a first step these modes were investigated seperately. Apart from one case a good agreement of the numerical with the experimental data was obtained. In a second step the flow around two adjacent stator profiles was calculated aiming to study the steady clocking effect. the calculated profile losses showed significant deviations from the measured values though the transition state of the boundary layers was modeled reasonably.English
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/000263
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2639
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd and Schilling, Prof. Dr.- Rudolf
Advisors: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd
Refereed: 25 June 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/263
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