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Numerical Analysis of Massive Separation Control on Turbomachine Blades Using Synthetic Jet

Wang, Zhuo :
Numerical Analysis of Massive Separation Control on Turbomachine Blades Using Synthetic Jet.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Analysis of Massive Separation Control on Turbomachine Blades Using Synthetic Jet
Language: English
Abstract:

The study of massive separation control using synthetic jet based on the computation of RANS equations is carried out in this work. Above of all, the performance of turbulence models is discussed. A revised k-e model is proposed as the known turbulence models perform poor in reproducing the flow of airfoil at pre-stall or stall angle of attack. The modified turbulence model is validated on an NACA633-018 airfoil under the Reynolds number of 300,000. Good agreement with the experimental data is obtained. Therefore, the modified turbulence model is adopted to simulate the excitation of synthetic jet. The systematical investigation of the synthetic jet is conducted on the same NACA633-018 airfoil at stall angle of attack. The result shows that the jet is effective in controlling the massive separation. The large separation region cannot be completely removed by the synthetic jet. However, the flow structure can be regularized. The airfoil drag can be reduced by 22% when the frequency of excitation has a value between 1.5 and 2 times the characteristic frequency of fc=u?/(Ccosa), where u? is the free stream velocity, C the chord, and a the angle of attack. The characteristic frequency relates to a time scale of the main flow passing through the airfoil in flow direction. The jet intensity has little influence on the frequency range of efficient excitation. But the extent of the variations of lift and drag is large with intensive jet. Moreover, the best effect of excitation can be achieved when the synthetic jet locates at the natural separation point. The behavior of synthetic jet in controlling the massive separation on turbomachine blades is studied through an unconventional axial stator-rotor arrangement. The stator and rotor blades are constructed from NACA633-018 airfoil with stagger angles of 50 degrees. The result shows that the synthetic jet is efficient in controlling the massive separation in cascade flow when the frequency of excitation has a value between 1.5 and 2 times the characteristic frequency. The large separation can be transformed into several small separation bubbles. The drag of stator and rotor blades can be reduced by 50% and the loss of total pressure can be reduced to about one-third.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zur Beeinflussung der massiven Ablösung mithilfe eines künstlich erzeugten, pulsierenden Strahls durchgeführt, die auf der numerischen Berechnung der RANS Gleichungen basiert. Zunächst wird die Frage der Turbulenzmodelle behandelt. Es wird ein modifiziertes k-e Modell vorgeschlagen, da die üblichen Turbulenzmodelle für die Strömung um ein Profil bei ablösenahen oder zur Ablösung führenden Anstellwinkeln schlecht geeignet sind. Das modifizierte Turbulenzmodell wird an einem NACA633-018 Profil bei einer Reynoldszahl von 300.000 validiert. Es wurde eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten erzielt. Das modifizierte Turbulenzmodell wurde daher auch verwendet, um die Beeinflussung der Ablösung durch einen künstlich erzeugten Strahl zu simulieren. Die systematische Untersuchung der Wirkung des künstlich erzeugten Strahls erfolgt für das gleiche NACA633-018 Profil bei Anstellwinkeln, die zu massiver Ablösung führen. Die Ergebnisse zeigen, dass der künstlich erzeugte Strahl sehr effektiv in der Beeinflussung der massiven Ablösung ist. Das große Ablösungsgebiet kann von dem künstlich erzeugten Strahl nicht vollkommen unterdrückt werden, jedoch kann die Strömungsstruktur im gewünschten Sinne verändert werden. Der Widerstand des Profils kann um bis zu 22% reduziert werden, wenn die Frequenz des künstlich erzeugten Strahls einen Wert zwischen dem 1,5 bis 2fachen der charakteristischen Frequenz fc=u?/(Ccosa) hat, wobei u? die Geschwindigkeit der Zuströmung ist, C die Sehnenlänge des Profils und a dessen Anstellwinkel. Die charakteristische Frequenz bezieht sich auf ein Zeitmaß, das der Zeit für die Passage der Hauptströmung um das Profil in Strömungsrichtung entspricht. Die Pulsationsamplitude des künstlich erzeugten Strahls hat nur geringen Einfluss auf den Frequenzbereich, in dem eine effiziente Beeinflussung der Ablösung erfolgt. Jedoch ist das Maß der Veränderungen von Auftrieb und Widerstand groß bei höherer Pulsationsamplitude. Weiterhin kann der beste Effekt einer Beeinflussung erzielt werden, wenn der künstliche Strahl am Ort des natürlichen Ablösungspunkts erzeugt wird. Die Beeinflussung der massiven Ablösung an den Schaufeln von Turbomaschinen mithilfe eines künstlich erzeugten Strahls wurde am Beispiel einer unkonventionellen Stator-Rotor-Anordnung untersucht. Die Stator- und Rotorschaufeln sind NACA633-018 Profile mit Staffelungswinkeln von 50 Grad. Das Ergebnis zeigt, dass an den Statorschaufeln künstlich erzeugte Strahlen sehr wirksam zur Unterdrückung der massiven Ablösung in dem Gitter dienen können, wenn die Pulsationsfrequenz einen Wert zwischen dem 1,5 und 2fachen der charakteristischen Frequenz hat. Das große Ablösegebiet kann dadurch in mehrere kleinere Ablösungsblasen umgewandelt werden. Der Widerstand der Stator- und Rotorschaufeln kann um 50% und der Totaldruckverlust kann auf ungefähr ein Drittel reduziert werden.German
Uncontrolled Keywords: Beeinflussung der Ablösung, künstlich erzeugter Strahl, RANS-Gleichungen, Turbulenzmodell, k-epsilon Modell
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Beeinflussung der Ablösung, künstlich erzeugter Strahl, RANS-Gleichungen, Turbulenzmodell, k-epsilon ModellGerman
separation control, synthetic jet, RANS equations, turbulence model, k-epsilon modelEnglish
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/000308
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3082
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael
Advisors: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd
Refereed: 21 January 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/308
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