Direkte Numerische Simulation des Einflusses von Freistromturbulenz auf den Wärmeübergang in laminaren und transitionalen Grenzschichten an Turbinenschaufeln

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Rodi
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 13083176

Die Turbulenz in der Anströmung kann einen starken Einfluss auf den Wärmeübergang an Turbinenschaufeln haben und dieser muss deshalb verstanden werden und berechenbar sein, um die Schaufeln und ihre Kühlung optimal auslegen zu können. Es treten hauptsächlich 2 Effekte mit unterschiedlichen Mechanismen auf, zum einen eine Vorverlagerung des laminar-turbulenten Umschlags auf der Saugseite, die zu einer Erhöhung des Wärmeübergangs durch die entstehenden turbulenten Schwankungen fuhrt, sowie andererseits eine Erhöhung des Wärmeübergangs in den Teilen der Grenzschicht, die laminar bleiben, so der prätransitionale Teil auf der Saugseite und gewöhnlich die gesamte Druckseite. Die Mechanismen, vor allem beim ¿laminaren Wärmeübergang sind noch nicht ausreichend geklärt und auch eine verlässliche Vorhersage des Freistromturbulenzeinflusses ist schwierig, insbesondere wenn die Turbulenz in Nachläufen konzentriert ist, die periodisch instationär über die Schaufel wandern. Vor allem über den Einfluss der Beschaffenheit der Turbulenz hinsichtlich ihrer spektralen Verteilung gibt es noch große Unsicherheit. Da die Reynoldszahlen in laminaren und transitionalen Grenzschichten an Turbinenschaufeln relativ niedrig sind, ist eine Direkte Numerische Simulation (DNS) der Strömungs- und Wärmeübergangsvorgänge möglich, und die DNS ist in der Tat ein ideales Werkzeug zum Erforschen aller Details der komplexen physikalischen Vorgänge und zur Bereitstellung von Daten zur Entwicklung von praxistauglichen Modellen. Daher sollen aufbauend auf die Erfahrungen mit DNS Rechnungen in einem Vorgängerprojekt nun umfassende DNS Rechnungen mit Wärmeübergang durchgeführt werden, und zwar zum einen mehr grundlegende Untersuchungen der Situation an einer beheizten Platte mit beschleunigter und auch konstanter Strömung, zum anderen für den beheizten Zylinder im Staupunktbereich und für die schon im Vorgängerprojekt berechnete, beheizte Modellturbinenschaufel. Dabei sollen die physikalischen Mechanismen und insbesondere der Einfluss der spektralen Verteilung der Turbulenzschwankungen sowie der Frequenz der Nachläufe untersucht werden, bei Konzentration auf den Wärmeübergang im laminaren Grenzschichtbereich, doch soll auch die Transition mitberechnet werden, wenn diese im betrachtenden Strömungsfall auftritt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen