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

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • Gilge, P.; Kellersmann, A.; Friedrichs, J.; Seume, J. R. (2019): Surface roughness of real operationally used compressor blade and bliskProceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 1-10
    DOI: 10.1177/0954410019843438
  • 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

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Mimic, D.; Jätz, C.; Oettinger, M.; Herbst, F.; Seehausen, H.; Kurth, S. et al. (2019): Improving Aerothermal and Aeromechanical Turbomachinery Design by Combining High-Fidelity Methods with Multi-Stage Approaches.Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2019 Tokyo
  • Seehausen, H.; Gilge, P.; Kellersmann, A.; Friedrichs, J.; Herbst, F. (2019): Numerical Study of Stage Roughness Variations in a High Pressure CompressorGas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2019 Tokyo.
  • Hartung, K.; Gilge, P.; Herbst, F. (2018): Towards Immersed Boundary Methods for Complex Roughness Structures in Scale-Resolving Simulations32nd European Conference on Modelling and Simulation (ECMS 2018), 22-25 May 2018, Wilhelmshaven, Germany
    ISBN: 78-0-9932440-6-3
  • Denkena, B.; Böß, V.; Nespor, D.; Gilge, P.; Hohenstein, S.; Seume, J. (2015): Prediction of the 3D Surface Topography after Ball End Milling and its Influence on AerodynamicsProcedia CIRP 31, S. 221–227
    DOI: 10.1016/j.procir.2015.03.049
  • Hohenstein, S.; Gilge, P.; Seume, J. R. (2015): Experimental Investigation of the Aerodynamic Effect of Local Surface Roughness on a Turbine BladeIn: Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas, S. 371–380.
  • Hohenstein, S.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2013): Aerodynamic Effects of Non-Uniform Surface Roughness on a Turbine BladeProceedings of ASME Turbo Expo. ASME. San Antonio, 01.01.2013
  • Hohenstein, S.; Seume, J. R. (2013): Numerical Investigation on the Influence of Anisotropic Surface Roughness on the Skin FrictionProceedings of 10th European Conference on Turbomachinery (ETC), 15-19 April 2013. Lappeenranta University of Technlogy. Lappeenranta, Finnland, 01.01.2013

Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Gilge, P.; Seume, J.; Mulleners, K. (2018): Analysis of local roughness combinations on the aerodynamic properties of a compressor blade2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA, AIAA2018-0345
  • Kurth, S.; Hamann, C.; Seume, J.; Mulleners, K. (2018): Experimental Investigation of the Influence of Anisotropic Surface Structures on the Boundary Layer FlowInstitute of Aeronautics and Astronautics (Hg.): 2018 AIAA SciTech Forum Aerospace Sciences Meeting, Kissimmee, Florida, USA
  • Gilge, P.; Mulleners, K. (2015): On the resulting aerodynamic loss of combinations of localized surface roughness patches on a turbine bladeIn: American Institute of Aeronautics and Astronautics (Hg.): 33rd AIAA Applied Aerodynamics Conference Dallas
  • Hamann, C.; Kurth, S.; Mulleners, K. (2015): Towards Quantifying Effects of Refractive Index Mismatch on PIV ResultsProceedings of 11th International Symposium on Particle Image Velocimetry - PIV15, 14-16 September 2015, Santa Barbara, USA
  • Adamczuk, R.; Aschenbruck, J.; Bartelt, M.; Herbst, F.; Seume, J. R. (2011): Inverse Methods in Turbomachinery ApplicationsAachen Conference on Computational Engineering Science (ACCES). Aachen, 01.01.2011

Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, nicht begutachtet

  • Hohenstein, S.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2013): Einfluss betriebs- und regenerationsbedingter Varianzen von TurbinenschaufelnInternational Journal for Electricity and Heat Generation VGB PowerTech 2013 (11), S. 51–58

Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Kellersmann, A.; Gilge, P.; Seume, J.; Friedrichs, J. (2015): Performance impact of high pressure compressor blisk roughness.DLRK 2015. DGLR. Rostock, 01.01.2015.
  • Hohenstein, S.; Gilge, P.; Raulf, C.; Seume, J. R. (2013): Einfluss lokaler Rauheiten auf die aerodynamischen Verluste von TurbinenschaufelnDeutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2013, 10-12 September. Stuttgart

Dissertationen

  • Hohenstein, S. (2014): Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von TurbinenbeschaufelungenLeibniz Universität Hannover, Berichte aus Turbomaschinen und Fluid-Dynamik, Band 4/2014
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

Nichtöffentliche Person

MITARBEITER

Dipl.-Ing. Philipp Gilge
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
M. Sc. Hendrik Seehausen
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen