Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...
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IV. NUMERISCHE SIMULATION UND FILMKÜHLUNG 1 EINLEITUNG Der Entwicklungsingenieur moderner Flugtriebwerke ist bestrebt, die Turbineneintrittstemperatur der gewählten Verdichterförderhöhe anzupassen, um einen bestimmten spezifischen Schub bzw. eine benötigte Wellenleistung realisieren zu können. Entsprechend dieser Forderung erhöht er die Turbineneintrittstemperatur. Um die eingestellten hohen Turbineneintrittstemperaturen von über 1700 K beherrschen zu können, sind ausgereifte Kühlverfahren notwendig. Ein sehr effektives Kühlverfahren ist die Filmkühlausblasung. Es bestehen jedoch gegenwärtig noch Unsicherheiten bei den Auslegungsmethoden, da die auftretenden Strömungsformen im Bereich der Filmkühlung sehr komplex sind. Neben der Steigerung des inneren Turbinenwirkungsgrades mittels Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur wird die Optimierung des Stufenwirkungsgrades der Turbine über eine Steigerung der aerodynamischen Kenndaten der filmgekühlten Turbinenschaufel angestrebt. Mit der Forderung nach größerer Strömungsumlenkung entsteht in der Turbinenstufe Gebiete mit verzögerter Hauptströmung. Es wächst die Gefahr der Bildung lokaler Ablöseblasen. Für diesen speziellen Fall verzögerter Hauptströmung, mitunter bei lokaler, kurzfristiger Ablösung in der Turbine, sind umfassende Betrachtungen der Temperaturbelastung an der Schaufel und der Wirkung des Kühlfilms notwendig. In Abhängigkeit von der Ausblaserate M, der Ausblasegeometie und den externen Strömungsbedingungen an der Ausblasestelle nimmt der Kühlfilm mehr oder weniger starken Einfluß auf lokale Verzögerungs- bzw. Ablösegebiete. Für die Auslegung der filmgekühlten Turbinenschaufel benötigt der Entwicklungsingenieur Angaben zur Filmkühleffektivität η stromab der Ausblaseöffnungen, um die Wandtemperaturverteilung bestimmen zu können. Hierzu sind bereits ein Reihe von Untersuchungen experimenteller und numerischer Art durchgeführt worden, über die Boehme [10] in seiner Arbeit einen ausführlichen Überblick gibt. 1.1 Untersuchungsmethoden Zur Untersuchung strömungsmechanischer Phänomene existieren heute drei methodische Ansätze. Die Lösung des analytischen Ansatzes gelingt nur für einfache Sonderfälle, eine Beschreibung komplexer Strömungen, wie sie in Turbomaschinen auftreten, ist mit ihm nicht möglich. Der praktische Ansatz geht auf die Untersuchung von Strömungen im Experiment zurück. Wir verwenden unterschiedliche Geräte und Meßinstrumente um komplexe Strömungen am Modell oder unter realen Bedingungen zu erfassen. Das Experiment liefert weitgehend authentische Ergebnisse und wird auch noch heute als Maß für viele auf anderen Wegen gewonnene Ergebnisse angesehen. Jedoch sind experimentelle Untersuchungen aufgrund des hohen Rüstaufwands sehr teuer und zeitintensiv. Die durch die Meßmethodik festgelegten Randbedingungen erzwingen oft Abstriche bei der Einhaltung der Ähnlichkeit von Geometrie, 8
Mach- oder Reynoldszahl. Die Meßtechnik kann unter Umständen aufgrund ihrer räumlichen Abmessungen Strömungsphänomene stören bzw. verfälschen. Jedes Meßgerät verfügt auch über eine begrenzte Auflösung, so daß kleinste interessierende Strömungsphänomene nicht erfaßt werden können. Mit der Entwicklung der digitalen Rechentechnik konnte der numerische Ansatz verwirklicht werden. Die numerische Simulation ist heute ein leistungsfähiges Werkzeug um komplizierte Strömungen bei einer Fülle von Parametervariationen in kurzer Zeit untersuchen zu können. Sie liefert eine Fülle von Informationen, insbesondere bei der Berechnung dreidimensionaler Strömungsfelder. Jedoch ist die genügende Diskretisierung des physikalischen Rechenraums Voraussetzung für gute Ergebnisse. Diese stellt hohe Anforderungen an Speicherplatz und Rechenleistung, insbesondere für die Untersuchung instationärer dreidimensionaler Strömungen. Aktuelle Fragestellung der numerischen Simulation sind z.B. die Suche nach Methoden, die zur Lösung des diskretisierten Strömungsproblems beitragen (Mehrgitterverfahren, Multilevel- und Multiskalentechniken) sowie bei möglichst effektiver Speicherplatzverwaltung das Strömungsproblem gut approximieren können (Adaptivität, Fehlerschätzer), Griebel [16]. Weiteres Entwicklungspotential liegt in der Implementierung geeigneter Turbulenzmodelle in den numerischen Strömungslöser, um Strömungsphänomene auch unter komplexen geometrischen Bedingungen korrekt erfassen zu können. Problematisch ist in diesem Zusammenhang die korrekte Berechnung der laminar-turbulenten Transition insbesondere in Turbomaschinen. 1.2 Aufgabestellung Im Rahmen der Diplomarbeit wird der kommerzielle Strömungslöser FINE/TURBO V3.0 zur numerischen Berechnung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung eingesetzt. Das Ziel der Untersuchungen ist die sichere Berechnung des Strömungsfeldes bei Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung. Unter Einhaltung der Reynoldschen Ähnlichkeit soll dies sowohl für die kompressible Strömungsbedingung als auch inkompressible Strömungsbedingung möglich sein. 2 NUMERISCHE STRÖMUNGSLÖSUNG – COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS Mit numerischen Strömungslösern ist die Berechnung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie möglich. Die Erhaltungsgleichungen beschreiben das Strömungsfeld unter Vernachlässigung der Volumenkräfte, also der Schwerkräfte sowie Kräften, die aufgrund magnetischer Felder entstehen. Das Gleichungssystem der Erhaltungsgleichungen ist analytisch nicht lösbar. Es stehen daher numerische Algorithmen und Methoden zu Verfügung, um eine Lösung der Erhaltungsgleichungen zu erhalten. 9
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Mach- oder Reynoldszahl. Die Meßtechnik kann unter Umständen aufgr<strong>und</strong> ihrer räumlichen<br />
Abmessungen Strömungsphänomene stören bzw. verfälschen. Jedes Meßgerät verfügt auch<br />
über eine begrenzte Auflösung, so daß kleinste interessierende Strömungsphänomene nicht<br />
erfaßt werden können.<br />
Mit der Entwicklung der digitalen Rechentechnik konnte der numerische Ansatz verwirklicht<br />
werden. Die numerische Simulation ist heute ein leistungsfähiges Werkzeug um komplizierte<br />
Strömungen bei einer Fülle von Parametervariationen in kurzer Zeit untersuchen zu können.<br />
Sie liefert eine Fülle von Informationen, insbesondere bei der Berechnung dreidimensionaler<br />
Strömungsfelder. Jedoch ist die genügende Diskretisierung des physikalischen Rechenraums<br />
Voraussetzung für gute Ergebnisse. Diese stellt hohe Anforderungen an Speicherplatz <strong>und</strong><br />
Rechenleistung, insbesondere für die Untersuchung instationärer dreidimensionaler<br />
Strömungen. Aktuelle Fragestellung der numerischen Simulation sind z.B. die Suche nach<br />
Methoden, die zur Lösung des diskretisierten Strömungsproblems beitragen<br />
(Mehrgitterverfahren, Multilevel- <strong>und</strong> Multiskalentechniken) sowie bei möglichst effektiver<br />
Speicherplatzverwaltung das Strömungsproblem gut approximieren können (Adaptivität,<br />
Fehlerschätzer), Griebel [16].<br />
Weiteres Entwicklungspotential liegt in der Implementierung geeigneter Turbulenzmodelle in<br />
den numerischen Strömungslöser, um Strömungsphänomene auch unter komplexen<br />
geometrischen Bedingungen korrekt erfassen zu können. Problematisch ist in diesem<br />
Zusammenhang die korrekte Berechnung der laminar-turbulenten Transition insbesondere in<br />
Turbomaschinen.<br />
1.2 Aufgabestellung<br />
Im Rahmen der Diplomarbeit wird der kommerzielle Strömungslöser FINE/TURBO V3.0 zur<br />
numerischen Berechnung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung<br />
eingesetzt. Das Ziel der Untersuchungen ist die sichere Berechnung des Strömungsfeldes bei<br />
Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung. Unter Einhaltung der Reynoldschen<br />
Ähnlichkeit soll dies sowohl für die kompressible Strömungsbedingung als auch<br />
inkompressible Strömungsbedingung möglich sein.<br />
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FLUID DYNAMICS<br />
Mit numerischen Strömungslösern ist die Berechnung der Erhaltungsgleichungen für Masse,<br />
Impuls <strong>und</strong> Energie möglich. Die Erhaltungsgleichungen beschreiben das Strömungsfeld<br />
unter Vernachlässigung der Volumenkräfte, also der Schwerkräfte sowie Kräften, die<br />
aufgr<strong>und</strong> magnetischer Felder entstehen. Das Gleichungssystem der Erhaltungsgleichungen<br />
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