Verdichterspezifische Validierung der Transitionsmodellierung in TRACE

Abstract

Die vorliegende Arbeit entstand im Auftrag der MTU Aero Engines AG in München und befasst sich mit der numerischen Berechnung transitionaler Grenzschichtströmungen bei Verdichterprofilen. Unter Transition versteht man den Übergang einer laminaren in eine turbulente Strömung. Eine Abgrenzung hinsichtlich charakteristischer Kenngrößen erscheint allgemein schwer, da es sich beim laminar-turbulent-Umschlag um einen Prozess handelt, der als stochastisch, dreidimensional und instationär charakterisiert werden kann und nicht punktuell erfolgt. Aufgrund von kleinen Reynoldszahlen entsteht ein bedeutender Beitrag der Grenzschichttransition zum Wirkungsgrad von Turbomaschinen. Dadurch wurde die Transition bei der Berechnung von Turbinenströmungen stets berücksichtigt, während dies bei Verdichtern, aufgrund ihrer höheren Reynoldszahl, stets als vernachlässigbar gehandhabt wurde. Um einen etwaigen Vorteil durch die transitionale Strömungsberechnung bei Verdichtern zu erhalten, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Transitionsmodelle anhand verschiedener Verdichterprofile sowie eines Turbinenaustrittsleitrades getestet. Bei diesen Modellen handelte es sich einerseits um das, auf Integralgrößen der Grenzschicht basierende algebraische Modell von Kozulovic und andererseits um das sogenannte Gamma-Re-Theta-Transportmodell von Menter und Langtry. Im Folgenden werden diese mit MultiMode und PDE bezeichnet, welche im k-w-Turbulenzmodell von Wilcox implementiert sind. Die numerischen Simulationen wurden mit dem vom DLR Köln entwickelten Strömungslöser TRACE durchgeführt. Im Zuge dieser Rechenkampagne wurden Einflussanalysen hinsichtlich der wichtigsten Zuströmparameter wie Machzahl, Inzidenz und AVDR, sowie der turbulente Strömungen charakterisierenden Größen wie Längenmaß und Intensität durchgeführt. Diese Ergebnisse wurden mit der bisherigen, standardmäßigen vollturbulenten CFD-Rechnung und mit vorhandenen Messwerten bewertet.

This thesis was written in order of MTU Aero Engines AG in Munich, Germany and addressed the numerical investigation of boundary layer transition at compressor blades. Generally it is difficult to characterize the laminar to turbulent transition in boundary layers because of its stochastic, three-dimensional and unsteady behavior and due to fact that the different mechanisms of transition occur along the airfoil chord. The blade boundary layer is responsible for the airfoil aerodynamic efficiency and thus for the overall performance of the machines. For turbine flows, which can be characterized by its mainly small Reynolds numbers, it is important to incorporate the transition mechanism, whereas it is considered to be negligible for the purpose of compressor flows. The aim of this thesis was to test two transition models at two different compressor blade cascades and at a turbine OGV. The first model, called the MultiMode model, is an algebraic model requiring a boundary layer integration , which was developed by Kozulovic. The second model is the Gamma-Re-Theta model of Menter and Langtry, called the PDE model. The numerical simulations are done with the RANS solver TRACE of DLR Cologne, using a Wilcox k-w-turbulence model. Influence analyses with regard to the flow parameters such as Mach number, incidence and AVDR as well as turbulent length scale and turbulence intensity were carried in the course of CFD simulations. The results were evaluated with the hitherto used fully turbulent simulation as well as with measured values of cascade experiments.