Wandnahe periodisch instationäre Strömung und Wärmeübergang im linearen Turbinengitter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Reinhard Niehuis
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364918406

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Turbomaschinen zur Steigerung von Druckverhältnissen, Reduzierung der Schaufelzahl, sinkendem Schaufelhöhenverhältnis, vermehrter Teillastbeanspruchung, etc., führen zu einem immer stärkeren Einfluss der Strömung im Seitenwandbereich auf die Maschine insgesamt. Vor allem Betriebsverhalten, Verluste und Wärmeübergang werden von diesem Strömungsbereich wesentlich beeinflusst. Die dabei auftretenden Mechanismen sind jedoch trotz langjähriger Forschung immer noch nicht voll verstanden, so dass durch den aktuellen technischen Fortschritt starker Bedarf an entsprechenden Grundlagenuntersuchungen besteht. Dieses Defizit wird durch einen gemeinsame Paketantrag von vier Arbeitsgruppen an TU Dresden, UniBw München und RU Bochum adressiert, bei dem sorgfältig abgestimmte Simulationen und Experimente eingesetzt werden, um entsprechende Erkenntnisse zu gewinnen. Neben der Untersuchung des Wärmeübergangs und der Weiterentwicklung methodischer Werkzeuge besteht eine wesentliche Zielrichtung des Pakets in der detaillierten Analyse der Effekte, die durch die Systemrotation hervorgerufen werden. Hierzu werden speziell konzipierte und aufeinander abgestimmte Konfigurationen untersucht und miteinander verglichen.Im Rahmen des Teilvorhabens 3 am Institut für Strahlantriebe, UniBw München, soll die aerodynamische Interaktion der periodisch instationären Nachläufe in der Zuströmung mit der wandnahen Strömung und dem Wärmeübergang in einem linearen Turbinengitter untersucht werden. Die zu untersuchenden Teilaspekte der instationären wandnahen Strömung beinhalten den Zustand der Seitenwandgrenzschicht, die Ausbildung des Hufeisenwirbelpaars, die Beeinflussung der Saugseitentransition im Seitenwandbereich und die Verlustproduktion sowie den Wärmeübergang auf der Seitenwand und Schaufeloberfläche. Im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal kommt hierfür ein verbesserter Versuchsaufbau mit einer zusätzlich eingezogenen Seitenwand zum Einsatz, welcher maschinentypische Strömungsphänomene im Seitenwandbereich verspricht und somit eine aussagekräftige Untersuchung der Phänomene ermöglicht. Die Erfassung der Messdaten erfolgt mithilfe unterschiedlicher Strömungsmessmethoden mit hoher örtlicher Auflösung (PIV), hoher zeitlicher Auflösung (CTA, Kulite) sowie Oberflächenmessungen (TSP, Thermo-LC, Shear-LC). Die experimentellen Untersuchungen werden durch numerische Strömungssimulationen (URANS) mit höherwertigeren Modellierungen des Wärmeflusses mit dem Strömungslöser TRACE begleitet. Ziel der Arbeiten ist es, das physikalische Verständnis der Interaktion der periodisch instationären Zuströmung mit der wandnahen Strömung und dem Wärmeübergang zu verbessern und die Wiedergabe der Phänomene in RANS-Simulationen zu bewerten. Darüber hinaus liefert ein Vergleich der Ergebnisse mit den anderen Teilvorhaben Erkenntnisse über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede strömungsmechanischer Vorgänge in linearen Kaskaden und Ringgittern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen