Vorausberechnung der Kalibrierkurven einer pneumatischen Fünflochsonde mittels CFD-Simulation

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Berechnung der turbulenten Strömung bei einer Fünflochsonde mit prismatischem Querschnitt.<br />Die Fünflochsonde ist im Bereich der Turbomaschinen ein weit verbreitetes Messinstrument zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung und Betrag. Vor dem Einsatz bei Messungen ist eine Kalibrierung der Sonde unter kontrollierten Bedingungen im Windkanal erforderlich. Dabei wird die Sonde unter verschiedenen Winkeln mit konstanter Luftgeschwindigkeit angeströmt und die Drücke an den fünf Bohrungslöchern der Sonde gemessen, aus denen man Kalibrierkurven für die Richtungs- und Druckkoeffizienten ermittelt. Bei der Messung in Turbomaschinen sind diese idealen Randbedingungen wie im Windkanal oft nicht gegeben und es können sich durch Geschwindigkeitsgradienten in der Strömung und durch Wandeinfluss Messfehler ergeben, die nicht oder nur schwer abzuschätzen sind. Aus diesem Grund soll diese Arbeit eine Beurteilung liefern, wie zuverlässig mittels numerischer Methode die Kalibrierkurven vorausberechnet werden können und eine Basis sein für eine weiterführende Arbeit zur Bewertung von Messfehlern aufgrund von Gradienten- und Wandeinfluss.<br />Die Strömungssimulation erfolgte an einem zweidimensionalen und einem dreidimensionalen Modell, wobei das 2D-Modell dazu dient, die Modellabmessungen, das Turbulenzmodell und die Diskretisierungsverfahren für das 3D-Modell festzulegen. Die Modelle wurden mit dem Netzgenerator GAMBIT 2.2 erstellt. Die numerische Strömungsberechnung erfolgte stationär und turbulent mit dem CFD-Programm FLUENT 6.2. Als Turbulenzmodel kam das Realizable k-[epsilon]-Turbulenzmodel zum Einsatz und für die Ermittlung der wandnahen Strömung wurde die "Enhanced Wall Treatment"-Methode angewendet. Die Fünflochsonde wurde bei der Simulation mit einer Luftgeschwindigkeit von 59,81 m/s angeströmt, was einer Reynolds-Zahl von 13000 einspricht. Die Anströmwinkel [Delta][beta] (Gierwinkel) und [Delta][gamma] (Nickwinkel) wurden jeweils von 0° bis 30° in 10°-Schritten variiert, woraus sich sechzehn Anströmrichtungen ergaben. Mittels der numerisch berechneten Bohrungsdrücke erfolgte anschließend die Erstellung der Kalibrierkurven für die Richtungs- und Druckkoeffizienten.<br />Diese Kalibrierkurven wurden mit den Ergebnissen aus den Messungen von Chonrokostas [2] verglichen und beurteilt wie weit eine Validation der Ergebnisse möglich ist.<br />