Alle in realen Anwendungen vorkommenden Turbomaschinenströmungen sind zumindest teilweise turbulent. Aus diesem Grund ist die Modellierung von Turbulenz und laminar-turbulenter Transition ein wichtiger Aspekt bei der numerischen Strömungssimulation und hat großen Einfluss auf die Vorhersagegüte des Strömungslösers.
Die vollständige oder teilweise Auflösung der turbulenten Strukturen durch Direkte Numerische Simulation (DNS) bzw. Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) – siehe (Link, Numerischer Prüfstand) – ist derzeit für die praktische Anwendung im Auslegungsprozess von Turbomaschinen zu aufwändig. Eine gangbare Alternative ist die Reynoldsmittelung der Bewegungsgleichungen (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS), auf der im Kontext des industriellen Auslegungsprozesses das Hauptaugenmerk liegt. Im Rahmen der Lösung der Reynoldsgleichungen müssen verschiedene Modellannahmen gemacht werden. Hierbei werden Transition und Turbulenz getrennt betrachtet: Turbulenzmodellierung fußt im Wesentlichen auf Statistik, in der Transitionsmodellierung kommen empirische Korrelationen zum Einsatz.
Turbulenzmodellierung
Strömungen in mehrstufigen Turbomaschinen sind stets instationär. Dennoch werden aus Effizienzgründen in der näheren Zukunft stationäre RANS-Rechnungen mit zeitgemittelten Kopplungstechniken die wichtigste Anwendung von CFD im industriellen Auslegungsprozess bleiben. Zum Lösen der RANS-Gleichungen müssen die bei der Reynoldsmittelung auftretenden zusätzlichen Spannungen (Reynoldsspannungen) modelliert werden. Zu diesem Zweck existiert eine Vielzahl von Methoden von einfachen algebraischen Korrelationen bis hin zu komplexen Transportgleichungsmodellen (DRSM, Differential Reynolds Stress Model). Heutzutage sind auf Transportgleichungen basierende Wirbelzähigkeitsmodelle Stand der Technik im industriellen Einsatz. Die Vorhersagegenauigkeit dieser Modelle ist in bestimmten Strömungen jedoch begrenzt, z. B. bei Ablösungen aufgrund von Druckgradienten oder Stößen, Stoß-Grenzschicht-Interaktion oder Sekundärströmungen.
Im Rahmen der Entwicklung von TRACE werden mehrere Ansätze parallel verfolgt:
Transitionsmodellierung
Obwohl Turbomaschinenströmungen meist turbulent sind, ist die genaue Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlagspunkt von großer Bedeutung für die numerische Simulation. Der genaue Zustand einer Grenzschicht – laminar, transitional oder turbulent – hat einen großen Einfluss auf ihre Eigenschaften, z.B. Reibungsverluste, Wärmeübertragung oder Ablöseverhalten. Der genaue Verlauf des Transitionsprozesses hängt von der Bauteilgeometrie und den Strömungsbedingungen ab und kann verschiedenen physikalischen Modi folgen. In TRACE kommen zwei verschiedene Transitionsmodelle zum Einsatz: Ein algebraisches Modell (Multimode-Modell), das auf Integralgrößen der Grenzschicht basiert, und ein Transportmodell (ɣ-ReӨ-Modell), das lokale Größen nutzt. Beide Modelle sind mit den Quellmechanismen des Turbulenzmodells verknüpft und erlauben so den Transport turbulenter Größen auch in Gebieten, in denen die Strömung laminar ist. Für das ɣ-ReӨ-Modell in Kombination mit Zweigleichungsturbulenzmodellen werden von unserem universitärem Partner (Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik, Hannover) fortlaufend Erweiterungen entwickelt. Diese erweitern das Modell um Vorhersagefähigkeit von Transition durch Querströmungseffekte, auf Seitenwänden oder durch Nachläufe vorliegenden Schaufelreihen.