Die Auslegung von aktuellen Turbomaschinen basiert auf numerischen Verfahren, welche die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen lösen. Dabei kommen zur Schließung des Gleichungssystems statistische Turbulenzmodelle zum Einsatz. Den industriellen Standard bilden dabei lineare Wirbelzähigkeitsmodelle wie z. B. das Menter SST k-ω Modell. Da es bei der Auslegung von modernen Turbomaschinen auch darauf ankommt, Sekundärströmungen effizient zu nutzen, werden die Anforderungen an die verwendeten Turbulenzmodelle größer. Um Sekundärströmungseffekte korrekt abzubilden, ist die Wiedergabe der Anisotropie der Turbulenz notwendig. Dazu kommen Reynolds-Spannungsmodelle in explizit algebraischer oder differentieller Formulierung zum Einsatz. Diese basieren auf Modellannahmen, die durch experimentelle bzw. durch direkte numerische Simulation gewonnene Daten kalibriert und validiert werden. Meist werden dazu geometrisch und topologisch einfache Strömungen verwendet. Bei komplexen Strömungen hingegen ist oft der Detailgrad der Messdaten unzureichend für eine umfassende Validierung der Modellvorhersagen.
Im DLR-internen Projekt TurboVaLd sollen für Turbomaschinen relevante komplexe Strömungen detailliert mittels optischer Lasermesstechnik untersucht werden. Dabei handelt es sich im Einzelnen um die folgenden Versuche:
Die Ergebnisse werden dazu verwendet, Reynolds-Spannungs-Turbulenzmodelle zu validieren bzw. zu verbessern. Ein besonderer Vorteil ist die direkte Zusammenarbeit von experimentellen und numerischen Arbeitsgruppen. So soll die optimale Vergleichbarkeit der gewonnenen Daten garantiert werden.
Beitrag der Abteilung Numerische Methoden
In der Abteilung Numerische Methoden werden sowohl die modelltheoretischen Entwicklungen als auch die numerischen Simulationen des Mischungskanals und des Wirbelrohres durchgeführt. Das bereits implementierte und validierte explizit algebraische Reynolds-Spannungsmodell von Hellsten wird um eine Krümmungskorrektur erweitert. So sollen Fälle mit Stromlinienkrümmung besser vorhergesagt werden. Im Rahmen von TurboVaLd werden außerdem differentielle Reynolds-Spannungsmodelle in TRACE implementiert. Diese werden bezüglich ihrer Vorhersagequalität evaluiert und gegebenenfalls verbessert. Dabei kommen verschiedene Druck-Scher-Korrelationsmodelle sowie verschiedene Dissipationsmodelle zum Einsatz. Im Vergleich mit dem Experiment wird ein besonderes Augenmerk, neben der Wiedergabe der Hauptströmungsgrößen, auf der Wiedergabe der Reynolds-Spannungen und ihrer Anisotropie liegen. Dies ist vor allem bei der Beurteilung der Vorhersagequalität von Anisotropie-auflösenden Turbulenzmodellen hilfreich. Ziel ist die Bereitstellung von Reynolds-Spannungsmodellen, welche die bisherigen Modellierungsansätze in ihrer Vorhersagequalität deutlich übertreffen. Damit wird eine verbesserte Entwicklung von modernen Turbomaschinenkomponenten im Kontext statistischer Turbulenzmodelle ermöglicht.