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Die Simulation von Filmkühlung in Turbinenstufen stellt eine besondere Herausforderung dar: Konventionelle CFD-Methoden wie stationäre RANS oder klassische URANS-Ansätze sind entweder nicht genau genug oder extrem rechenintensiv. Mit der neuen Erweiterung unseres Strömungslösers TRACE wurde nun ein großer Fortschritt erzielt: Gekühlte Turbinenstufen lassen sich deutlich schneller und realistischer instationär simulieren – mit praxisnahen Vorhersagen und massiv reduziertem Rechenaufwand.
Kern der Neuerung ist eine Kombination aus drei Komponenten:
Harmonic Balance (HB): Dieses Frequenzbereichsverfahren ermöglicht instationäre Simulationen mit über 10-facher Zeitersparnis gegenüber URANS – bei sehr guter Übereinstimmung mit deren Ergebnissen.
Robustes Filmkühlungsmodell: Statt jedes Filmkühlungsbohrung teuer aufzulösen, bringt ein lokal definierter Quellterm den Kühlfilm gezielt in die Simulation ein. Dies reduziert den Netzerstellungsaufwand erheblich und erlaubt die parallele Untersuchung verschiedener Kühlkonzepte mit nur einem Netz.
Höherwertige Turbulenzmodelle: Modelle wie SSG/LRR-ω verbessern die Abbildung von Mischungs- und Diffusionsvorgängen deutlich und liefern realistischere Temperaturverteilungen – Unterschiede von bis zu 300 K im Vergleich zu einfacheren Ansätzen wurden beobachtet.
Das Ergebnis:
Realitätsnahe Vorhersagen der adiabaten Wand- und Materialtemperaturen
Signifikante Reduktion der Rechenzeiten (z. B. statt 68 Mio. CPU-Stunden nur 1294 CPU-Stunden für eine HB-Simulation)
Deutlich vereinfachte Netzgenerierung – auch bei komplexen Kühlkonzepten
Skalierbarkeit auch auf reale Turbinengeometrien mit beliebigem Schaufelzahlverhältnis
Mit dieser Erweiterung bietet TRACE eine leistungsfähige Plattform für die instationäre Auslegung gekühlter Turbinenstufen: wissenschaftlich fundiert, effizient und industrienah.
