Realitätsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen für hochaufgelöste Strömungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden

Abstract

A numerical modelling chain is presented in this thesis, with the aim of improving the reproduction of the influence of realistic boundary conditions on the aerothermodynamics of low-pressure turbine blades. After an introduction to the topic, the realistic boundary conditions are initially introduced, followed by an overview of how these realistic boundary conditions can be generated in experimental and numerical investigations.

The presented modelling chain can be classified according to the modelling of the computational domain and the modelling of the realistic boundary conditions. For the modelling of the computational domain, the Large Eddy Simulation (LES) was used. With LES, large turbulent structures are directly resolved without the influence of additional turbulence modelling. Due to this reduced modelling depth, a LES provides a more accurate prediction of turbulent flows compared to the simulation methods used in industrial design chains, which are based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS equations). After a detailed description of the LES, the actual modelling approach of the realistic boundary conditions is presented. The generation of the inflow turbulence is based on a synthetic eddy method. This is followed by a detailed verification and validation of this modelling approach using primarily generic test cases. This verification and validation shows that it is possible to generate the prevailing boundary conditions in a low-pressure turbine in a numerical simulation.

Finally, the entire modelling chain is validated using various low-pressure turbine cascades, each with a different transition mode. The results of this validation show that the presented modelling chain is able to correctly predict all transition modes occurring in a low pressure turbine. Furthermore, significantly better predictions could be made for all aerodynamic quantities compared to the RANS-based simulation methods commonly used in industry. The modelling chain presented in this work thus represents a further pillar for investigating the aerothermodynamics of low-pressure turbines in addition to the experiment. In particular, the modelling chain can cover parameter spaces of the boundary conditions that cannot be realised in experiments and thus make a significant contribution to the more efficient design of low-pressure turbines and thus also aircraft engines in general.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Modellierungskette vorgestellt, deren Ziel eine verbesserte Wiedergabe des Einflusses realitätsnaher Randbedingungen auf die Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen-Beschaufelungen ist. Nach einer Einleitung in die Thematik werden zunächst die realitätsnahen Randbedingungen eingeführt, gefolgt von einem Überblick, wie diese realitätsnahen Randbedingungen in experimentellen und numerischen Untersuchungen erzeugt werden können.

Die vorgestellte Modellierungskette lässt sich hierbei nach der Modellierung des Rechengebietes und der Modellierung der realitätsnahen Randbedingungen unterscheiden. Für die Modellierung des Rechengebietes wurde die Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Bei einer LES werden große turbulente Strukturen direkt aufgelöst ohne den Einfluss einer zusätzlichen Turbulenzmodellierung. Aufgrund dieses reduzierten Modellierungsgrades liefert die LES eine genauere Vorhersage turbulenter Strömungen im Vergleich zu den Simulationsverfahren, die in industriellen Auslegungsketten eingesetzt werden und auf den Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) basieren. Nach einer ausführlichen Beschreibung der LES wird der eigentliche Modellierungsansatz der realitätsnahen Randbedingungen vorgestellt. Die Erzeugung der Zuströmturbulenz basiert hierbei auf einer synthetischen Wirbelmethode. Es folgt eine detaillierte Verifizierung und Validierung dieses Modellierungsansatzes anhand überwiegend generischer Testfälle. Diese Verifikation und Validierung zeigen, dass es möglich ist, die in einer Niederdruckturbine vorherrschenden Randbedingungen in einer numerischen Simulation zu erzeugen.

Zum Schluss erfolgt die Validierung der gesamten Modellierungskette anhand verschiedener Niederdruckturbinen-Kaskaden mit jeweils unterschiedlichen Transitionsmodi. Die Ergebnisse dieser Validierung belegen, dass die vorgestellte Modellierungskette in der Lage ist, alle in einer Niederdruckturbine vorkommenden Transitionsmodi korrekt vorherzusagen. Darüber hinaus konnten im Vergleich zu den industriell üblichen RANS-basierten Simulationsverfahren bessere Vorhersagen für alle aerodynamischen Größen erzielt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modellierungskette stellt somit ergänzend zum Experiment eine weitere Säule zur Untersuchung der Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen dar. Hierbei kann die Modellierungskette insbesondere Parameterräume der Randbedingungen abdecken, die im Experiment nicht realisierbar sind und somit einen wesentlichen Beitrag leisten zur effizienteren Auslegung der Niederdruckturbinen und entsprechend auch Flugzeugtriebwerken im Allgemeinen.