Die numerische Strömungssimulation birgt ein erhebliches Potential zum besseren Verständnis der hochgradig komplexen Strömungsvorgänge in den Turbokomponenten von Gasturbinen. Sie kann somit einen entscheidenden Beitrag zur verbesserten Auslegungsverfahren für Beschaufelungen liefern und dadurch zu einem höheren Wirkungsgrad der gesamten Gasturbine führen. In der vorliegenden Arbeit werden drei Navier-Stokes-Verfahren auf eine repräsentative Auswahl praxisrelevanter Strömungsprobleme aus dem Bereich der Turbomaschinen angewendet. Ein ebenes Verdichtergitter mit Spalt, ein transsonischer Verdichterrotor und zwei ebene Turbinengitter, je eines mit kompressiblen und inkompressiblen Geschwindigkeitsbereich, werden numerisch untersucht. Die eingesetzte Verfahren werden durch umfassende Vergleiche sowohl mit experimentellen Ergebnissen als auch untereinander validiert. Eine Weiterentwicklung der numerischen Verfahren integriert die zum Arbeitsablauf einer Simulationsrechnung gehörenden Teilschritte in einem Expertensystem. Der Verlauf einer numerischen Simulation kann dadurch standardisiert werden. Die Rechenzeit der Verfahren wird durch programminterne Optimierungen erheblich reduziert und ihre Anwendbarkeit durch die Implementierung verbesserter geometrischer Randbedingungen erweitert. Die Entwicklung von Routinen zur quantitativen Auswertung der Simulationsergebnisse ist eine Voraussetzung für den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. Dieser Vergleich erst ermöglicht detaillierte Einblicke in die Qualität der numerischen Simulation. Aus den gewonnenen Erfahrungen werden Vorschläge für ein effizienteres Zusammenwirken von Experimenten und Simulationen erarbeitet. Ausführliche Parameterstudien zur Turbulenzmodellierung, der Netzauflösung und den numerischen sowie geometrischen Randbedingungen führen zu einem verbesserten Verständnis der Wirksamkeit unterschiedlicher Rechennetze und Turbulenzmodelle. Die Auflösung des Rechennetzes hat sich als der dominierende Parameter bezüglich der Ergebnisqualität herauskristallisiert. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen bei der Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle ist für die hier vorrangig eingesetzten Zwei-Gleichungsmodelle erheblich geringer als der der Netzauflösung. Einflüsse in der gleichen Größenordnung, oder sogar darüber hinausgehend, haben die Eintrittsrandbedingungen der turbulenten Größen.
Alle wesentlichen Strömungsphänomene in den untersuchten Schaufelgittern werden qualitativ korrekt erfasst. Die Profildruckverteilung ist auch quantitativ stehts in sehr guter Übereinstimmung mit den Messwerten. Die Umlenkaufgabe der untersuchten Gitter wird mit nur geringfügigen Abweichungen im Strömungswinkel numerisch richtig wiedergegeben.
Das Niveau der errechneten Verluste liegt immer über dem der Messung. Verantwortlich dafür ist vor allem turbulenter Grenzschichten, deine Folge des Fehlens geeigneter Transitionskriterien. Rechnungen mit rein laminaren Grenzschichten, wie sie zumindest in Turbinengitters eher der physikalischen Wirklichkeit nahe kämen, sind in der Regel wegen der dann auftretenden massiven Strömungsablösungen nicht möglich. Die Verteilungen der Verluste und Strömungswinkel werden ausreichen genau errechnet.
Detailphänomene sowie die Spaltströmung wurden qualitativ und quantitativ gut nachgebildet. Es wird gezeigt, dass eine geometrische richtige Modellierung eine wesentliche Voraussetzung für eine strömungsmechanisch korrekte Simulation ist. Die ebenfalls untersuchten einfach geometrischen Approximationen des Spaltbereichs werden den komplexen Strömungsphänomenen in dieser Region nicht gerecht. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Weiterentwicklung, Anwendung und Validierung von Rechenverfahren sowie die zu ihrer Implementierung entwickelten Programmwerkzeugen stellen eine gute Grundlage für weiterführende Arbeiten dar. Die hier validierten und verbesserten Verfahren können zunächst zur stationären Untersuchung von Schaufelgitterströmungen in mehrstufigen Maschinen eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt lassen sich durch instationäre Rechnungen die Wechselwirkungen zwischen rotierenden und stationären Turbokomponenten numerisch simulieren.
«
Login
BibTeX