Large-Eddy-Simulation von Deckbandlabyrinthdichtungen

Abstract

Labyrinthdichtungen werden in Turbomaschinen eingesetzt, um Bereiche hohen Druckes von Bereichen geringeren Druckes aerodynamisch zu trennen. Deren korrekte Vorhersage mit numerischen Modellen im Rahmen von industriellen Auslegungsprozessen ist aus Sicht der Aerodynamik, der Thermodynamik, der Aeroakustik und der Aeroelastik von Bedeutung. In industriellen Auslegungsketten wird der Einfluss von Turbulenz auf die zeitlich gemittelte Strömung (RANS-Ansatz) durch Wirbelviskositätsmodelle approximiert, die aufgrund der getroffenen Annahmen zu Modellierungsfehlern führen. Eine genauere Vorhersage turbulenter Strömungen liefern Grobstruktursimulationen (LES), bei denen die kleinen und dissipativen Skalen der Turbulenz modelliert werden und die daher numerisch ressourcenschonender sind als eine direkte numerische Simulation (DNS). Die Anforderungen an die räumliche Diskretisierung des Rechengebietes für LES von Labyrinthdichtungen sind allerdings a priori noch nicht bekannt. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit Messdaten eines rotierenden Labyrinthprüfstandes (RLP) zur Validierung von RANS- und LES-Modellen verwendet. Es wurde gezeigt, dass mit dem k-Omega-Turbulenzmodell zusammen mit einem Produktionslimiter für k eine exakte Vorhersage des Dichtungsbeiwertes möglich ist. Alle getesteten Wirbelviskositätsmodelle führen jedoch zu einer bis zu 50% falschen Vorhersage der Wirbelsysteme in den Kavitäten der Labyrinthdichtung und zu bis zu 2000 Pa falschen Vorhersagen der statischen Drücke. Die Defizite der Wirbelviskositätsmodelle führen zu einer bis zu 50% falschen Vorhersage der Größe von Ablösungen und Rückströmungen, einer falschen Vorhersage der Ausmischung des Leckagejets und zu einer 15 - 50% falschen Vorhersage der Schleppwirkung des rotierenden Deckbandes. Die LES verifiziert diese Defizite und leistet in allen zuvor genannten Punkten eine hinreichend genaue Vorhersage. Hierfür ist eine räumliche Diskretisierung erforderlich, die im Bereich des rotierenden Deckbandes mit dimensionslosen x+ = z+ < 10 den Anforderungen einer DNS genügt und das Rechengebiet muss in Umfangsrichtung mindestens 3,9 mal so hoch sein, wie die Höhe der Dichtspitzen. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass es ausreicht, in Ausschnitten des RLP alle relevanten turbulenten und kohärenten Strukturen der Strömung aufzulösen. Daher können zukünftige LES-Studien zur Entwicklung oder Verbesserung von RANS-Turbulenzmodellen numerisch effizient in kleineren Rechengebieten durchgeführt werden.

Labyrinth seals are commonly used in turbomachinery to separate regions of high pressure from those of low pressure. The correct prediction of labyrinth seal flows for the aerodynamic, thermodynamic, aeroacoustic, and aeroelastic design of turbomachinery is of importance for industrial purposes. In industrial applications, the influence of turbulence on the flow in Reynolds-averaged (RANS) computations is approximated by linear eddy viscosity turbulence models. A more accurate prediction of turbulent flows can be provided by Large-Eddy-Simulations (LES). In LES, only the large and energy containing turbulent scales are resolved while the small and dissipative scales are modelled. Therefore, LES offers the chance of accurate predictions of the flow at moderate cost. However, the requirements for LES of labyrinth seal flows regarding the discretisation of the computational domain are not known a priori and the LES-model needs to be validated. Within this work, measurements of a rotating labyrinth seals test rig (RLP) were used for the validation of RANS- and LES-models. It was shown, that the k-Omega turbulence models in combination with a production limiter for k yields an exact prediction of the discharge. Nevertheless, all eddy viscosity turbulence models tested have deficits and yield a wrong prediction of flow separation and recirculation up to 50%, the mixing of the leakage jet, and the swirl imposed by viscous effects at the rotor surface up to 50%. The LES verifies the deficits observed with RANS turbulence models and provides 50% improved or exact predictions of the flow. For this, a spatial discretisation of x+ = z+ < 10 at the rotor surface is required, which equals the requirements of DNS. Furthermore, the computational domain must have a size of 3.9 times the height of the seal blades in circumferential direction. Fortunately, LES using small sections of the RLP can resolve all relevant small and large scales of the flow. Therefore, LES can be used in the future to understand the deficit of RANS turbulence models and to develop improved models.