Zur Senkung der Herstellungs- und Wartungskosten von modernen Triebwerksverdichtern wird die Reduzierung der Schaufel- und Stufenanzahl bei gleich bleibender Gesamtleistungangestrebt. Dies kann nur durch eine gesteigerte aerodynamische Belastung in Form höherer Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden, die zu transsonischen Strömungsverhältnissen mit lokalen Überschallfeldern im Schaufelkanal führen. Die dabei auftretenden Verdichtungsstöße treten in Wechselwirkung mit der Profilgrenzschicht und beeinflussen maßgeblich dieweitere Grenzschichtentwicklung und das Verlustverhalten, sodass eine gute Kenntnis der Strömungsvorgänge für die Auslegung wirtschaftlich arbeitender Transsonikverdichter erforderlich ist. Insbesondere ist im Auslegungsprozess eine zuverlässige numerische Strömungssimulation unverzichtbar, sodass eine Validierung der eingesetzten Modelle und Verfahren mit Hilfe geeigneter experimenteller Untersuchungen weiterhin erforderlich ist. Die vorliegende Arbeit gibt durch detaillierte experimentelle Untersuchungen an einem hoch-belasteten ebenen Verdichtergitter mit großskaligen Abmessungen einen Einblick in die Mechanismen und Phänomene der Grenzschicht- und Turbulenzentwicklung bei laminarer Verdichtungsstoß-Grenzschicht-Interaktion. Durch den Einsatz des Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanals wird der Forderung nach turbomaschinenähnlichen Bedingungen Rechnunggetragen. Unterschiedlichste Messtechniken und Verfahren ermöglichen die Erfassung mittlerer und zeitaufgelöster Strömungsgrößen. Die Analyse der Zuström-Turbulenzstruktur ist mit der dreidimensionalen Hitzdrahtmesstechnik erfolgt. Zur Bestimmung der Profilverluste sind Nachlauf- und Profildruckverteilungsmessungen im Mittelschnitt durchgeführt worden. Die Profildruckverteilung ist zusätzlich mit zeitlich hochauflösenden Drucksonden auf der saugsei-tigen Profiloberfläche vermessen worden, um weitere Einblicke in die Bewegung der Verdich-tungsstöße zu bekommen. Art und Lage der Verdichtungsstöße wurden aus den Aufnahmender Schlieren-Messanlage bestimmt. Einblicke in das Transitionsverhalten auf der Saugseitesind anhand der Dünnfilm-Messtechnik gewonnen worden. Der Schwerpunkt der Messungen hat die Grenzschichttraversierung an verschiedenen Schnitten stromab des Gebietes der Verdichtungsstoß-Grenzschicht-Interferenz mit der dreidimensionalen Hitzdrahtmesstechnik umfasst. Die Messungen der turbulenten Grenzschicht sind durch Traversierungen im laminaren Bereich sowie im Interferenzgebiet mit Hilfe der Laser-Zwei-Fokus-Messtechnik ergänzt worden.Bereits in der Zuströmung zum Verdichtergitter treten anisotrope Turbulenzverhältnisse auf,die auch innerhalb der turbulenten Grenzschicht vorherrschen. Die experimentellen Untersu-chungen verdeutlichen den Einfluss des durch die Verdichtungsstöße zusätzlich verstärkten XII Druckgradienten auf den Anstieg der turbulenten kinetischen Energie innerhalb der Grenzschicht. Die Lage der Verdichtungsstöße ist zeitlich nicht konstant, wobei die Stoßoszillationin Form hochfrequenter Stoßschwingungen mit kleinen Bewegungsamplituden durch die insta-tionäre Grenzschichtentwicklung dominiert wird. Unter Einfluss des starken Verdichtungsstoßes werden die großen energietragenden Wirbelelemente, beschrieben durch das integrale Längenmaß, in Ausdehnung und Wachstumsrate reduziert. Nach einer Erholung der Grenzschicht weiter stromab findet daraufhin ein deutlich stärkeres und von den Außenstrombedingungen unbeeinflusstes Wirbelwachstum statt, wobei dieses Verhalten unabhängig von der Zuström-Reynoldszahl ist. Der Verdichtungsstoß bei hoher überkritischer Zuströmgeschwindigkeit beeinflusst die Struktur der Turbulenz dahingehend, dass stromab des Verdichtungsstoßes teilweise von der Vorgeschichte der bisherigen Turbulenz unabhängige neue Wirbelelemente entstehen. Begleitend zu den Messungen sind Strömungssimulationen mit dem Navier-Stokes-Löser TRACE in Verbindung mit aktuellen Turbulenzmodellen durchgeführt worden. Für die hiervorliegenden Untersuchungen sind sowohl die Quasi-3D-Variante, die dreidimensionale Effekte nur vereinfacht in Form einer Stromröhrenkontraktion berücksichtigen kann, als auch die 3D-Variante des Strömungslösers eingesetzt worden. Zur Strömungsberechnung sind ein Ein-Gleichungsmodell nach Spalart-Allmaras bzw. ein Zwei-Gleichungs-k-ω-Modell verwendet worden. Die TRACE-Rechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten hinsichtlich des Profilbelastung und der Verdichtungsstoßkonfiguration. Größere Unter-schiede zwischen Rechnung und Messung ergeben sich bei der Bestimmung der Grenzschichtprofile stromab des Verdichtungsstoßes bei hoher überkritischer Zuströmung. Der Vergleich der berechneten und gemessenen Grenzschichtprofile hat ergeben, dass insbesonderedie integralen Grenzschichtparameter Verdrängungsdicke und Impulsverlustdicke in der turbulenten Grenzschicht durch die TRACE-Q3D-Rechnung mit dem Spalart-Allmaras-Modell unterbestimmt und durch die TRACE-3D-Rechnung mit dem k-ω-Modell überbestimmt werden. Ferner hat sich dabei gezeigt, dass eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Profildruckverteilung nicht zwangsläufig zu einer besseren Bestimmung des Grenzschichtverlaufs und damitdes Verlustverhaltens führen. Deutliche Abweichungen von den gemessenen Grenzschichtprofilen ergeben sich bei der hohen überkritischen Zuström-Machzahl Ma1 = 0,83 sowohl für die Quasi-3D-Rechnungen als auch für die 3D-Rechnungen. Die besondere Berücksichtigung der Zulaufgrenzschicht im Windkanal bei den 3D-Rechnungen ergibt kaum Unterschiede imberechneten Grenzschichtverhalten. Für die überhöhte berechnete Turbulenzproduktion ist auch die Verdichtungsstoßbewegung mitverantwortlich, die in dem verwendeten Turbulenzmodell bisher nicht berücksichtigt worden ist The present work provides an insight into the mechanism and phenomena of boundary layer and turbulence development in a highly loaded linear transonic compressor cascade with laminar shock boundary layer interaction. Detailed experimental investigations using different measuring techniques were performed in the high-speed cascade wind tunnel at various Mach- and Reynolds numbers representative for real turbomachinery conditions. Numerical investigations were performed using the Navier Stokes flow solver TRACE in connection with an one equation turbulence model according to Spalart-Allmaras as well as a two-equation k-omega model.    «

Zur Senkung der Herstellungs- und Wartungskosten von modernen Triebwerksverdichtern wird die Reduzierung der Schaufel- und Stufenanzahl bei gleich bleibender Gesamtleistungangestrebt. Dies kann nur durch eine gesteigerte aerodynamische Belastung in Form höherer Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden, die zu transsonischen Strömungsverhältnissen mit lokalen Überschallfeldern im Schaufelkanal führen. Die dabei auftretenden Verdichtungsstöße treten in Wechselwirk...    »