Realitätsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen für hochaufgelöste Strömungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Mark Zieße

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Details

Titel in ÜbersetzungRealistic Modelling of Aerodynamic Boundary Conditions for High Resolution Flow Si- mulations in Low-Pressure Turbine Cascades
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Jörg Reinhart Seume, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades16 Juni 2023
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Modellierungskette vorgestellt, deren Ziel eine verbesserte Wiedergabe des Einflusses realitätsnaher Randbedingungen auf die Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen-Beschaufelungen ist. Nach einer Einleitung in die Thematik werden zunächst die realitätsnahen Randbedingungen eingeführt, gefolgt von einem Überblick, wie diese realitätsnahen Randbedingungen in experimentellen und numerischen Untersuchungen erzeugt werden können. Die vorgestellte Modellierungskette lässt sich hierbei nach der Modellierung des Rechengebietes und der Modellierung der realitätsnahen Randbedingungen unterscheiden. Für die Modellierung des Rechengebietes wurde die Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Bei einer LES werden große turbulente Strukturen direkt aufgelöst ohne den Einfluss einer zusätzlichen Turbulenzmodellierung. Aufgrund dieses reduzierten Modellierungsgrades liefert die LES eine genauere Vorhersage turbulenter Strömungen im Vergleich zu den Simulationsverfahren, die in industriellen Auslegungsketten eingesetzt werden und auf den Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) basieren. Nach einer ausführlichen Beschreibung der LES wird der eigentliche Modellierungsansatz der realitätsnahen Randbedingungen vorgestellt. Die Erzeugung der Zuströmturbulenz basiert hierbei auf einer synthetischen Wirbelmethode. Es folgt eine detaillierte Verifizierung und Validierung dieses Modellierungsansatzes anhand überwiegend generischer Testfälle. Diese Verifikation und Validierung zeigen, dass es möglich ist, die in einer Niederdruckturbine vorherrschenden Randbedingungen in einer numerischen Simulation zu erzeugen. Zum Schluss erfolgt die Validierung der gesamten Modellierungskette anhand verschiedener Niederdruckturbinen-Kaskaden mit jeweils unterschiedlichen Transitionsmodi. Die Ergebnisse dieser Validierung belegen, dass die vorgestellte Modellierungskette in der Lage ist, alle in einer Niederdruckturbine vorkommenden Transitionsmodi korrekt vorherzusagen. Darüber hinaus konnten im Vergleich zu den industriell üblichen RANS-basierten Simulationsverfahren bessere Vorhersagen für alle aerodynamischen Größen erzielt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modellierungskette stellt somit ergänzend zum Experiment eine weitere Säule zur Untersuchung der Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen dar. Hierbei kann die Modellierungskette insbesondere Parameterräume der Randbedingungen abdecken, die im Experiment nicht realisierbar sind und somit einen wesentlichen Beitrag leisten zur effizienteren Auslegung der Niederdruckturbinen und entsprechend auch Flugzeugtriebwerken im Allgemeinen.

Zitieren

Realitätsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen für hochaufgelöste Strömungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden. / Zieße, Mark.
Hannover, 2023. 182 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Zieße, M 2023, 'Realitätsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen für hochaufgelöste Strömungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden', Doktor der Ingenieurwissenschaften, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/15741
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@phdthesis{d298cabb832541f982b93e8b1e4e8f03,
title = "Realit{\"a}tsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen f{\"u}r hochaufgel{\"o}ste Str{\"o}mungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden",
abstract = "Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Modellierungskette vorgestellt, deren Ziel eine verbesserte Wiedergabe des Einflusses realit{\"a}tsnaher Randbedingungen auf die Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen-Beschaufelungen ist. Nach einer Einleitung in die Thematik werden zun{\"a}chst die realit{\"a}tsnahen Randbedingungen eingef{\"u}hrt, gefolgt von einem {\"U}berblick, wie diese realit{\"a}tsnahen Randbedingungen in experimentellen und numerischen Untersuchungen erzeugt werden k{\"o}nnen. Die vorgestellte Modellierungskette l{\"a}sst sich hierbei nach der Modellierung des Rechengebietes und der Modellierung der realit{\"a}tsnahen Randbedingungen unterscheiden. F{\"u}r die Modellierung des Rechengebietes wurde die Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Bei einer LES werden gro{\ss}e turbulente Strukturen direkt aufgel{\"o}st ohne den Einfluss einer zus{\"a}tzlichen Turbulenzmodellierung. Aufgrund dieses reduzierten Modellierungsgrades liefert die LES eine genauere Vorhersage turbulenter Str{\"o}mungen im Vergleich zu den Simulationsverfahren, die in industriellen Auslegungsketten eingesetzt werden und auf den Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) basieren. Nach einer ausf{\"u}hrlichen Beschreibung der LES wird der eigentliche Modellierungsansatz der realit{\"a}tsnahen Randbedingungen vorgestellt. Die Erzeugung der Zustr{\"o}mturbulenz basiert hierbei auf einer synthetischen Wirbelmethode. Es folgt eine detaillierte Verifizierung und Validierung dieses Modellierungsansatzes anhand {\"u}berwiegend generischer Testf{\"a}lle. Diese Verifikation und Validierung zeigen, dass es m{\"o}glich ist, die in einer Niederdruckturbine vorherrschenden Randbedingungen in einer numerischen Simulation zu erzeugen. Zum Schluss erfolgt die Validierung der gesamten Modellierungskette anhand verschiedener Niederdruckturbinen-Kaskaden mit jeweils unterschiedlichen Transitionsmodi. Die Ergebnisse dieser Validierung belegen, dass die vorgestellte Modellierungskette in der Lage ist, alle in einer Niederdruckturbine vorkommenden Transitionsmodi korrekt vorherzusagen. Dar{\"u}ber hinaus konnten im Vergleich zu den industriell {\"u}blichen RANS-basierten Simulationsverfahren bessere Vorhersagen f{\"u}r alle aerodynamischen Gr{\"o}{\ss}en erzielt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modellierungskette stellt somit erg{\"a}nzend zum Experiment eine weitere S{\"a}ule zur Untersuchung der Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen dar. Hierbei kann die Modellierungskette insbesondere Parameterr{\"a}ume der Randbedingungen abdecken, die im Experiment nicht realisierbar sind und somit einen wesentlichen Beitrag leisten zur effizienteren Auslegung der Niederdruckturbinen und entsprechend auch Flugzeugtriebwerken im Allgemeinen.",
author = "Mark Zie{\ss}e",
year = "2023",
doi = "10.15488/15741",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

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TY - BOOK

T1 - Realitätsnahe Modellierung aerodynamischer Randbedingungen für hochaufgelöste Strömungsberechnungen in Niederdruckturbinen-Kaskaden

AU - Zieße, Mark

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Modellierungskette vorgestellt, deren Ziel eine verbesserte Wiedergabe des Einflusses realitätsnaher Randbedingungen auf die Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen-Beschaufelungen ist. Nach einer Einleitung in die Thematik werden zunächst die realitätsnahen Randbedingungen eingeführt, gefolgt von einem Überblick, wie diese realitätsnahen Randbedingungen in experimentellen und numerischen Untersuchungen erzeugt werden können. Die vorgestellte Modellierungskette lässt sich hierbei nach der Modellierung des Rechengebietes und der Modellierung der realitätsnahen Randbedingungen unterscheiden. Für die Modellierung des Rechengebietes wurde die Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Bei einer LES werden große turbulente Strukturen direkt aufgelöst ohne den Einfluss einer zusätzlichen Turbulenzmodellierung. Aufgrund dieses reduzierten Modellierungsgrades liefert die LES eine genauere Vorhersage turbulenter Strömungen im Vergleich zu den Simulationsverfahren, die in industriellen Auslegungsketten eingesetzt werden und auf den Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) basieren. Nach einer ausführlichen Beschreibung der LES wird der eigentliche Modellierungsansatz der realitätsnahen Randbedingungen vorgestellt. Die Erzeugung der Zuströmturbulenz basiert hierbei auf einer synthetischen Wirbelmethode. Es folgt eine detaillierte Verifizierung und Validierung dieses Modellierungsansatzes anhand überwiegend generischer Testfälle. Diese Verifikation und Validierung zeigen, dass es möglich ist, die in einer Niederdruckturbine vorherrschenden Randbedingungen in einer numerischen Simulation zu erzeugen. Zum Schluss erfolgt die Validierung der gesamten Modellierungskette anhand verschiedener Niederdruckturbinen-Kaskaden mit jeweils unterschiedlichen Transitionsmodi. Die Ergebnisse dieser Validierung belegen, dass die vorgestellte Modellierungskette in der Lage ist, alle in einer Niederdruckturbine vorkommenden Transitionsmodi korrekt vorherzusagen. Darüber hinaus konnten im Vergleich zu den industriell üblichen RANS-basierten Simulationsverfahren bessere Vorhersagen für alle aerodynamischen Größen erzielt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modellierungskette stellt somit ergänzend zum Experiment eine weitere Säule zur Untersuchung der Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen dar. Hierbei kann die Modellierungskette insbesondere Parameterräume der Randbedingungen abdecken, die im Experiment nicht realisierbar sind und somit einen wesentlichen Beitrag leisten zur effizienteren Auslegung der Niederdruckturbinen und entsprechend auch Flugzeugtriebwerken im Allgemeinen.

AB - Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Modellierungskette vorgestellt, deren Ziel eine verbesserte Wiedergabe des Einflusses realitätsnaher Randbedingungen auf die Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen-Beschaufelungen ist. Nach einer Einleitung in die Thematik werden zunächst die realitätsnahen Randbedingungen eingeführt, gefolgt von einem Überblick, wie diese realitätsnahen Randbedingungen in experimentellen und numerischen Untersuchungen erzeugt werden können. Die vorgestellte Modellierungskette lässt sich hierbei nach der Modellierung des Rechengebietes und der Modellierung der realitätsnahen Randbedingungen unterscheiden. Für die Modellierung des Rechengebietes wurde die Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Bei einer LES werden große turbulente Strukturen direkt aufgelöst ohne den Einfluss einer zusätzlichen Turbulenzmodellierung. Aufgrund dieses reduzierten Modellierungsgrades liefert die LES eine genauere Vorhersage turbulenter Strömungen im Vergleich zu den Simulationsverfahren, die in industriellen Auslegungsketten eingesetzt werden und auf den Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) basieren. Nach einer ausführlichen Beschreibung der LES wird der eigentliche Modellierungsansatz der realitätsnahen Randbedingungen vorgestellt. Die Erzeugung der Zuströmturbulenz basiert hierbei auf einer synthetischen Wirbelmethode. Es folgt eine detaillierte Verifizierung und Validierung dieses Modellierungsansatzes anhand überwiegend generischer Testfälle. Diese Verifikation und Validierung zeigen, dass es möglich ist, die in einer Niederdruckturbine vorherrschenden Randbedingungen in einer numerischen Simulation zu erzeugen. Zum Schluss erfolgt die Validierung der gesamten Modellierungskette anhand verschiedener Niederdruckturbinen-Kaskaden mit jeweils unterschiedlichen Transitionsmodi. Die Ergebnisse dieser Validierung belegen, dass die vorgestellte Modellierungskette in der Lage ist, alle in einer Niederdruckturbine vorkommenden Transitionsmodi korrekt vorherzusagen. Darüber hinaus konnten im Vergleich zu den industriell üblichen RANS-basierten Simulationsverfahren bessere Vorhersagen für alle aerodynamischen Größen erzielt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modellierungskette stellt somit ergänzend zum Experiment eine weitere Säule zur Untersuchung der Aerothermodynamik der Niederdruckturbinen dar. Hierbei kann die Modellierungskette insbesondere Parameterräume der Randbedingungen abdecken, die im Experiment nicht realisierbar sind und somit einen wesentlichen Beitrag leisten zur effizienteren Auslegung der Niederdruckturbinen und entsprechend auch Flugzeugtriebwerken im Allgemeinen.

U2 - 10.15488/15741

DO - 10.15488/15741

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -