Teilprojekt B3 Verluste komplexer Oberflächenstrukturen

Im Teilprojekt B3 werden komplexe, durch Betriebsbeanspruchung und Regeneration beeinflusste, Oberflächenstrukturen optisch vermessen, charakterisiert und parametrisiert. Repräsentative Strukturen werden für Untersuchungen zur Interaktion von wandnaher Strömung und komplexen Oberflächenstrukturen ausgewählt. Diese Interaktion wird zum einen numerisch mit Hilfe von Large-Eddy-Simulationen untersucht, zum anderen experimentell in einem Strömungskanal mit Hilfe der Particle Image Velocimetry. Zusätzlich wird der Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das integrale aerodynamische Verlustverhalten von Verdichterschaufeln durch Messungen der Profildruckverteilung und der Nachlaufströmung bestimmt.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Reale Oberflächen an einer Turbinenschaufel von einem Flugzeugtriebwerk

Die Vorhersage integraler und lokaler Einflüsse komplexer Rauheiten auf die Umströmung von Beschaufelungen ist zum jetzigen Zeitpunkt mit etablierten Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-Methoden nur begrenzt möglich. Der quantitative Einfluss komplexer Rauheiten in Triebwerkskomponenten wird durch vielfältige, miteinander interagierende (multimodale) aerodynamische Randbedingungen und Effekte bestimmt. So beeinflussen Rauheiten den Zustand laminarer, transitioneller und turbulenter Grenzschichten. Das Ziel des Teilprojekts B3 ist es daher, eine RANS-basierte modellhafte Beschreibung des lokalen Einflusses von Rauheiten auf die Strömungsgrenzschichten zu entwickeln und somit den Einfluss komplexer Rauheiten auf die Strömungsverluste sowie den Arbeitsumsatz von Verdichtern und Turbinen präzise vorherzusagen. Das Arbeitspaket umfasst die Entwicklung eines Turbulenz- und Transitionsmodell, deren Modellbildung, -kalibrierung und -validierung auf Erkenntnissen und Daten der ersten beiden Förderperioden beruht.

ERGEBNISSE

In den ersten beiden Förderperioden des SFB konnte der Einfluss von komplexen Rauheiten auf die Umströmung von Beschaufelungen und den wandnahen Bereich experimentell und numerisch quantifiziert werden. Die begrenzte Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit etablierten RANS-Methoden wurde in der mangelnden Abbildung der kleinskaligen, turbulenten Strukturen und der unpräzisen Überführung der geometrischen Beschreibung von komplexen Rauheitsstrukturen in zweidimensionale Parameter identifiziert. Neben der geometrischen Charakterisierung von Rauheiten durch die äquivalente Sandkornrauheit besitzt auch die Anisotropie der Rauheit einen signifikanten Einfluss auf die Grenzschicht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden neue numerische und experimentelle Methoden zur Klärung der physikalischen Hintergründe der Verlustentstehung entwickelt sowie erste Ansätze zur modellbasierten Vorhersage von Rauheitseinflüssen erarbeitet.

Auswirkung von verschiedenen Rauheitspositionen auf die Nachlaufströmung von Schaufelprofilen am Beispiel der Geschwindigkeitsverteilung (u), der Wirbelstärke (ω_z) und der Turbulenzproduktion (P) experimentell untersucht im Gitterwinkanal

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Das zentrale wissenschaftliche Ziel der laufenden dritten Förderperiode ist die Schaffung eines Berechnungsmodells zur Vorhersage des Einflusses komplexer Rauheiten auf die Leistung und den Wirkungsgrad mehrstufiger Flugzeugtriebwerke mittels numerischer Strömungsmechanik (CFD). Dazu zählt die Validierung des entwickelten und implementierten Berechnungsmodells sowie die Bereitstellung von Daten zur Sensitivität der Triebwerksmodul-Leistungen und Wirkungsgrade gegenüber komplexen Rauheiten. Diese sollen anschließend der Bewertung unterschiedlicher Regenerationsmodi auf das Gesamttriebwerk dienen. Die zum Abschluss des Projekts zu entwickelnde modellbasierte Berechnungsmethode kann bei Kenntnis der komplexen Oberflächenstrukturen auf die Umströmung vieler technischer Oberflächen wie z.B. von Windenergieanalagen und stationären Gasturbinen transferiert werden.

Experimentelle Ergebnisse zur Strömung über isotrope und anisotrope Rauheitsstrukturen gleicher Höhe, aber unterschiedlicher Ausrichtung und die resultierende turbulente kinetische Energie aus dem Wasserkanal

VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Gilge, P.; Hohenstein, S.; Seume, J. R. (2017) Experimental Investigation of the Aerodynamic Effect of Local Surface Roughness on a Turbine BladeInternational Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power System
  • Gilge P.; Mulleners, K. (2016) Resulting Aerodynamic Losses of Combinations of Localized Roughness Patches on Turbine BladesAIAA Journal 54 (8), S. 2552–2555
    DOI: 10.2514/1.J054602
  • Mulleners, K.; Gilge, P.; Hohenstein, S. (2014) Impact of Surface Roughness on the Turbulent Wake Flow of a Turbine BladeJournal of Aerodynamics 2014, S. 1–9
    DOI: 10.1155/2014/458757
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

Nichtöffentliche Person

MITARBEITER

Dipl.-Ing. Philipp Gilge
M. Sc. Hendrik Seehausen
Adresse
Appelstraße 9
30167 Hannover
Gebäude
Raum
003
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Appelstraße 9
30167 Hannover
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003