Virginia Tech Verdichtergitter, Vergleich des vorhergesagten Spaltwirbels mit experimentellen Daten.
Die Vorhersage der Spaltströmung wird durch die Verwendung von Reynolds-Spannungsmodellen verbessert. Besonders die mittlere Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsfluktuationen stimmen besser mit den experimentellen Daten überein. Trotzdem wird deutlich, dass die Vorhersage der Sekundärströmung sowie der Reynolds-Spannungen besonders in der Nähe der Wände weiter verbessert werden kann.
Der sich entwickelnde Spaltwirbel wird durch die Reynolds-Spannungsmodelle gut vorhergesagt. Dies gilt sowohl für die mittlere Geschwindigkeit als auch für die Reynolds-Spannungen.
Die Strömung im subsonischen Verdichtergitter ist ein herausfordernder Testfall für Turbulenzmodelle. Experimentell wurde die Konfiguration von Muthanna und Tang während ihrer PhD-Arbeiten am Virginia Polytechnic Institute and State University in Blacksburg, Virginia untersucht. Das Gitter besteht aus Schaufeln mit GE Rotor B Profilen mit einer Sehnenlänge und Schaufelhöhe von 254mm, die mit einem Staffelungswinkel von 56.9° angeordnet sind. Die Strömung durch den Schaufelspalt von 1.65% der Schaufelhöhe und der resultierende Spaltwirbel stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die Machzahl beträgt 0.073 bei einer Reynoldszahl gebildet mit der Sehnenlänge von 400.000
Wir haben den Testfall mit statistischen Turbulenzmodellen steigender Komplexität simuliert. Dabei handelt es sich im Einzelnen um das lineare Wirbelzähigkeitsmodell Menter SST k-ω, das explizit algebraische Reynolds-Spannungsmodell von Hellsten (Hellsten EARSM) und das differentielle Reynolds-Spannungsmodell SSG/LRR-ω von Eisfeld. Letztere beide bestimmen alle Komponenten des Reynolds-Spannungstensors durch algebraische Beziehungen bzw. die Lösung von partiellen Differentialgleichungen. Es konnte gezeigt werden, dass Reynolds-Spannungsmodelle zu einer verbesserten Vorhersage der Spaltströmung sowie des Spaltwirbels führen. Weitere Details bezüglich der Modelle, der numerischen Methode und der Ergebnisse finden sich in den Proceedings der THMT 2012 Konferenz.
Morsbach, C.; Franke, M. & di Mare, F.: Towards the application of Reynolds stress transport models to 3D turbomachinery flows, 7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, 2012
Moderne Niederdruckturbinen arbeiten bei relativ kleinen Reynolds-Zahlen. Deswegen hängt ihre Effizienz stark vom Auftreten von Transition ab. Leider ist die Strömung innerhalb einer realen Turbine aufgrund von instationären und dreidimensionalen Strömungsphänomenen sehr komplex. Zum besseren Verständnis dieser Effekten müssen vereinfachten Situation untersucht werden. Insbesondere erlauben Turbinengitter sich auf die Beurteilung der Qualität des Schaufelentwurfs zu konzentrieren. Daher ist es für einen CFD-Löser sehr wichtig solche Strömungen genau zu simulieren. Das T106-A Turbinengitter ist ein gutes Bespiel für eine solche Untersuchung. Das Gitter wurde von MTU Aero Engines hergestellt und vom DLR getestet. Von besonderem Interesse ist die Entwicklung der Strömung bei Änderung der Reynolds-Zahl.
(a)
(b)
(c)
Abb.1 : Druckbeiwert Verteilung des T106-A Gitters.
Um die Fähigkeit von TRACE zu demonstrieren, transitionelle Strömungen in Nieder¬druck¬tur¬bi¬nen-gittern zu berechnen, wurden drei verschiedenen Arten von Simulation durchgeführt.
Das k-ω Turbulenzmodell von Wilcox wurde benutzt, um vollturbulente Strömungen zu simulieren. Diese Ergebnisse wurden mit dem DLR in-house Multimode-Transitionsmodell, dem γ-Reθ Modell von Menter und den Messungen verglichen [Abb 1].
Bei niedrigen Reynolds-Zahlen [Abb 1.(a)] können beide Transitionsmodelle die Ablöseblase, die auf der Saugseite entstehen, wiedergeben. Im Gegensatz dazu kann das Turbulenzmodell allein die Ablöseblase nicht berechnen. Wenn die Reynolds-Zahl erhöht wird [Abb 1.(b)], sieht man, dass immer noch eine Ablöseblase auf der Saugseite vorhanden ist. Im Vergleich mit der Strömung mit niedriger Reynolds-Zahl ist ihre Größe reduziert. Die Ergebnisse von beiden Transitionsmodellen stimmen mit den Messungen gut überein, während das Turbulenzmodell nicht in der Lage ist, die Messungen zu reproduzieren. Bei der höchsten Reynolds-Zahl [Abb 1.(c)] verschwindet die Ablöseblase, weil die Strömung vollturbulent ist. In diesem Fall liefern alle Modelle vergleichbare Ergebnisse. Dies bedeutet, dass die Transitionsmodell auch bei vollturbulenten Strömungen benutzt werden können.
Die Niederdruckturbine MTU-B demonstriert die Fähigkeit von TRACE solche Strömungen zu simulieren. Diese Turbine wurde von MTU-Aero Engines hergestellt und von der Universität Stuttgart experimentell untersucht [Abb. 1].
Die Leistung der Niederdruckturbine wird stark durch Transition beeinflusst. Deswegen ist es wichtig, dass die Transitionmodelle das Verhalten dieser Maschine sowohl im Designpunkt als auch im Off-design-Bereich vorhersagen können.
Das Multimode und das γ-Reθ Modell, die in TRACE zu Verfügung stehen, wurden benutzt um die Strömungen innerhalb der MTU-B bei verschiedenen Reynolds-Zahlen zu simulieren. Die berechneten Verluste und die experimentellen Daten werden verglichen [Abb. 2].
Beide Modelle zeigen Ergebnisse, die konsistent mit den Messungen sind. Die Effizienz der Turbine steigt mit zunehmender Reynolds-Zahl.
Die Verteilung des Druckbeiwerts auf der Schaufeloberfläche ist ein guter Indikator für die Qualität der Transitionsvorhersage. Für verschiedene Schaufelhöhe und die niedrigste Reynolds-Zahl sind solche Verteilungen für Vane 3 dargestellt [Abb. 3].
Abb. 3: Druckbeiwertverteilung MTU-B Vane 3
Für alle Schaufelhöhe wird die im Experiment beobachtete Ablöseblase durch beide Modelle sehr gut wiedergegeben. Die gleichen Ergebnisse für Vane 6 sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abb. 4: Druckbeiwertverteilung MTU-B Vane 6
Auch auf dieser Schaufel wird die auf der Saugseite existierende Ablöseblase durch beide Modelle gut simuliert, insbesondere das Auftreten in verschiedenen Schaufelhöhen.
Damit konnte gezeigt werden, dass mit den Transitionsmodellen in TRACE Strömungen innerhalb mehrstufiger Niederdruckturbinen gut wiedergegeben werden können.