Skalenauflösen­de numerische Untersuchung zur Funktion von Umfangsnuten in subsonischen Axialver­dichterstufen

Die aktuellen Entwicklungen im Bereich axialer Turbomaschinen, insbesondere von Axialverdichtern, hin zu steigende Druckverhältnissen sowie einer Reduktion von Schaufel- und Stufenzahl führen fertigungsbedingt zu immer größeren Radialspaltmaßen. Dies hat eine ganze Reihe aerodynamischer Konsequenzen, die sich negativ auf Verluste und den stabilen Betriebsbereich auswirken. Ein vielversprechender Ansatz der insbesondere die Stabilitätsprobleme adressiert, ist das Einbringen von Casing-Treatments (CTs) in der Gehäusewand. Von verschiedensten Ansätzen stellen insbesondere umlaufende Nuten aus vielerlei Hinsicht eine attraktive Variante des CTs dar. Der Einsatz solcher CTs hat das Potential, den stabilen Betriebsreich deutlich zu erweitern, kann jedoch auch zur Erhöhung von Verlusten führen und bedarf daher genauerer Betrachtung.

Der aktuelle Industriestandard für die Simulation von Turbomaschinen sind Zwei-Gleichungs Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) Modelle oder instationäre RANS (URANS) Methoden. Es ist dabei schwierig, stark anisotrope Turbulenzen, großräumige Wirbelstrukturen und Übergangseffekte zuverlässig vorherzusagen. Large-Eddy-Simulationen (LES) oder hybride LES/RANS Methoden haben den grundsätzlichen Vorteil, Turbulenz aufzulösen und können helfen, das Verständnis der Wirkweise von Umfangsnuten unter Berücksichtigung aller Turbulenz-, Rotations- und Geometrieeffekte entscheidend voranzutreiben. Folglich finden derartige Verfahren trotz erheblich höheren Rechenaufwands immer mehr Eingang in die industrielle Praxis. Aktuell erzielen turbulenzauflösende Ansätze allerdings nicht immer das bestmögliche Ergebnis. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Methoden zur turbulenzauflösenden Simulation im Turbomaschinensektor, sowohl in Hinblick auf Recheneffizienz als auch auf Genauigkeit.

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Vor diesem Hintergrund hat das Projekt zwei Hauptziele. Zum einen soll die physikalische Wirkweise von Umfangsnuten und das Verhalten der Rotorströmung abseits des Auslegungspunktes umfangreich analysiert werden. Zum anderen sollen turbulenzauflösende Simulationsmethoden zielgerichtet weiterentwickelt werden. Einen entscheidenden Schritt stellt dabei der Übergang vom Finite-Volumen Ansatz auf Methoden höherer Ordnung dar. Im Spektralelemente Code HiSPEET werden hybride LES/RANS Methoden sowie ausgewählte LES Feinstrukturmodelle umgesetzt und an die Spektralelemente Methodik angepasst sowie weiterentwickelt. Das Potenzial der verschiedenen Methoden wird systematisch untersucht und Best-Practice-Empfehlungen werden herausgearbeitet.

Die hier beschriebenen Aktivitäten und Ziele finden im Rahmen eines DFG-geförderten Partnerprojekts statt. Der andere Projektpartner führt experimentelle Messungen der untersuchten CT-Verdichterkonfigurationen sowie weitere Simulationen mit RANS/URANS durch. Auf diese Weise werden physikalische und methodische Erkenntnisse entscheidend vorangetrieben.