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Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung der Meridianströmung auf der Basis umfangsgemittelter Navier-Stokes Gleichungen


Project Details
Project duration: 05/199812/2003


Abstract
Ein bedeutendes Werkzeug in der Turbomaschinenauslegung stellen Verfahren zur Berechnung der Meridianströmung dar, mit deren Hilfe die Geometrie des Ringraumes und die Umlenkung der Strömung in den einzelnen Gittern weitgehend festgelegt wird. Bislang bilden reibungsfreie Modelle der rotationssymmetrisch vorausgesetzten Meridianströmung die physikalische Basis. Zusätzliche Korrelationen zur Berücksichtigung von Verlusten und Minderumlenkungen, die anhand detaillierter Analysen vermessener Strömungsfelder kalibiert wurden, erlauben eine genaue Vorhersage solange man sich im Erfahrungsbereich bewegt. Demgegenüber sind numerische Verfahren auf der Basis der dreidimensionalen Navier-Stokes Gleichungen weit weniger auf empirische Daten angewiesen. Der erhebliche Rechenaufwand sowie die benötigte detaillierte Beschreibung der Geometrie der Strömungskanäle erlauben jedoch den Einsatz dieser Methoden erst in einem sehr fortgeschrittenen Entwicklungsstadium. Mit dem Aufbau eines Verfahrens zur Berechnung der Meridianströmung auf der Basis umfangsgemittelter Navier-Stokes Gleichungen soll ein Weg gefunden werden, der zum einen eine deutlich verbesserte Auflösung der Strömungsvorgänge in den Randzonen erlaubt sowie durch die Berücksichtigung von "Scheinspannungen" aus der Umfangsmittelung in der Lage ist, den Einfluß von Gradienten in Umfangsrichtung auf die repräsentativen Mittelwerte wiederzugeben. Auf der anderen Seite wird das Verfahren durch die zweidimensionale Beschreibung der Strömung gegenüber 3D-Verfahren für mehrstufige Turbomaschinen einen erheblich geringeren Berechnungsaufwand besitzen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein Verfahren zur Bestimmung der reibungsbehafteten Meridianströmung durch axiale Verdichter entwickelt. Hierzu zählt ebenfalls die Aufbereitung der Grundgleichungen, die sich aus der Umfangsmittelung der dreidimensionalen, zeitabhängigen Bilanzgleichungen für Masse, Impuls und Energie ergeben. Zur numerischen Lösung der umfangsgemittelten Erhaltungsgleichungen ist weiter ein Berechnungsprogramm aufgebaut worden, das sich an der Arbeit von Jameson et al.(1981) orientiert und ein explizites Zeitschrittverfahren mit Dämpfungstermen zweiter und vierter Ordnung enthält. Die Wiedergabe der turbulenten Spannungen in den Seitenwandgrenzschichten erfolgt mit Hilfe des Wirbelviskositätsprinzips, wobei die turbulente Viskosität durch einen Mischungsweglängenansatz modelliert wird. Zur Konvergenzbeschleunigung wurde zusätzlich ein einfaches Mehrgitterverfahren implementiert. Mit diesem Verfahren konnte die Meridianströmung durch elementare Turbomaschinenkomponenten wie Gitter und einzelne Stufen berechnet werden.


Co-Investigators


Publications

2002
2002
2001
2000
1999

Last updated on 2017-11-07 at 14:14