Motivation und Zielsetzung
Die Vorhersage integraler und lokaler Einflüsse komplexer Rauheiten auf die Umströmung von Beschaufelungen ist zum jetzigen Zeitpunkt mit etablierten Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-Methoden nur begrenzt möglich. Der quantitative Einfluss komplexer Rauheiten in Triebwerkskomponenten wird durch vielfältige, miteinander interagierende (multimodale) aerodynamische Randbedingungen und Effekte bestimmt. So beeinflussen Rauheiten den Zustand laminarer, transitioneller und turbulenter Grenzschichten. Das Ziel des Teilprojekts B3 ist es daher, eine RANS-basierte modellhafte Beschreibung des lokalen Einflusses von Rauheiten auf die Strömungsgrenzschichten zu entwickeln und somit den Einfluss komplexer Rauheiten auf die Strömungsverluste sowie den Arbeitsumsatz von Verdichtern und Turbinen präzise vorherzusagen. Das Arbeitspaket umfasst die Entwicklung eines Turbulenz- und Transitionsmodell, deren Modellbildung, -kalibrierung und -validierung auf Erkenntnissen und Daten der ersten beiden Förderperioden beruht.
Ergebnisse
In den ersten beiden Förderperioden des SFB konnte der Einfluss von komplexen Rauheiten auf die Umströmung von Beschaufelungen und den wandnahen Bereich experimentell und numerisch quantifiziert werden. Die begrenzte Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit etablierten RANS-Methoden wurde in der mangelnden Abbildung der kleinskaligen, turbulenten Strukturen und der unpräzisen Überführung der geometrischen Beschreibung von komplexen Rauheitsstrukturen in zweidimensionale Parameter identifiziert. Neben der geometrischen Charakterisierung von Rauheiten durch die äquivalente Sandkornrauheit besitzt auch die Anisotropie der Rauheit einen signifikanten Einfluss auf die Grenzschicht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden neue numerische und experimentelle Methoden zur Klärung der physikalischen Hintergründe der Verlustentstehung entwickelt sowie erste Ansätze zur modellbasierten Vorhersage von Rauheitseinflüssen erarbeitet.
Aktuelle Arbeiten und Ausblick
Das zentrale wissenschaftliche Ziel der laufenden dritten Förderperiode ist die Schaffung eines Berechnungsmodells zur Vorhersage des Einflusses komplexer Rauheiten auf die Leistung und den Wirkungsgrad mehrstufiger Flugzeugtriebwerke mittels numerischer Strömungsmechanik (CFD). Dazu zählt die Validierung des entwickelten und implementierten Berechnungsmodells sowie die Bereitstellung von Daten zur Sensitivität der Triebwerksmodul-Leistungen und Wirkungsgrade gegenüber komplexen Rauheiten. Diese sollen anschließend der Bewertung unterschiedlicher Regenerationsmodi auf das Gesamttriebwerk dienen. Die zum Abschluss des Projekts zu entwickelnde modellbasierte Berechnungsmethode kann bei Kenntnis der komplexen Oberflächenstrukturen auf die Umströmung vieler technischer Oberflächen wie z.B. von Windenergieanalagen und stationären Gasturbinen transferiert werden.
Verantwortliches Institut
Das Projekt wird verantwortet durch das Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik.
Teilprojektleiter
30823 Garbsen
30823 Garbsen
Mitarbeiter
Veröffentlichungen
Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet
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(2020): Numerical Study of Stage Roughness Variations in a High Pressure Compressor, JGPP 11 (3), S. 16–25
DOI: 10.1007/s11573-020-00993-z. -
(2019): Surface roughness of real operationally used compressor blade and blisk, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 1-10
DOI: 10.1177/0954410019843438 -
(2017): Experimental Investigation of the Aerodynamic Effect of Local Surface Roughness on a Turbine Blade, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power System
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(2016): Resulting Aerodynamic Losses of Combinations of Localized Roughness Patches on Turbine Blades, AIAA Journal 54 (8), S. 2552–2555
DOI: 10.2514/1.J054602 -
(2014): Impact of Surface Roughness on the Turbulent Wake Flow of a Turbine Blade, Journal of Aerodynamics 2014, S. 1–9
DOI: 10.1155/2014/458757
Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet
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(2020): Performance Simulation of Roughness Induced Module Variations of a Jet Propulsion by Using Pseudo Bond Graph Theory, Proceedings of ASME Turbo Expo 2020 Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2020
DOI: 10.1115/GT2020-14456 -
(2019): Improving Aerothermal and Aeromechanical Turbomachinery Design by Combining High-Fidelity Methods with Multi-Stage Approaches., Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2019 Tokyo
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(2019): Numerical Study of Stage Roughness Variations in a High Pressure Compressor, Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2019 Tokyo.
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(2018): Towards Immersed Boundary Methods for Complex Roughness Structures in Scale-Resolving Simulations, 32nd European Conference on Modelling and Simulation (ECMS 2018), 22-25 May 2018, Wilhelmshaven, Germany
ISBN: 78-0-9932440-6-3 -
(2015): Prediction of the 3D Surface Topography after Ball End Milling and its Influence on Aerodynamics, Procedia CIRP 31, S. 221–227
DOI: 10.1016/j.procir.2015.03.049 -
(2015): Experimental Investigation of the Aerodynamic Effect of Local Surface Roughness on a Turbine Blade, In: Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas, S. 371–380.
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(2013): Aerodynamic Effects of Non-Uniform Surface Roughness on a Turbine Blade, Proceedings of ASME Turbo Expo. ASME. San Antonio, 01.01.2013
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(2013): Numerical Investigation on the Influence of Anisotropic Surface Roughness on the Skin Friction, Proceedings of 10th European Conference on Turbomachinery (ETC), 15-19 April 2013. Lappeenranta University of Technlogy. Lappeenranta, Finnland, 01.01.2013
Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2020): The Effect of Rough-Wall Boundary Conditions on RANS-Based Transition Prediction, Proceedings of Global Power and Propulsion Society
DOI: 10.33737/gpps20-tc-53 -
(2018): Analysis of local roughness combinations on the aerodynamic properties of a compressor blade, 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA, AIAA2018-0345
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(2018): Experimental Investigation of the Influence of Anisotropic Surface Structures on the Boundary Layer Flow, Institute of Aeronautics and Astronautics (Hg.): 2018 AIAA SciTech Forum Aerospace Sciences Meeting, Kissimmee, Florida, USA
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(2015): On the resulting aerodynamic loss of combinations of localized surface roughness patches on a turbine blade, In: American Institute of Aeronautics and Astronautics (Hg.): 33rd AIAA Applied Aerodynamics Conference Dallas
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(2015): Towards Quantifying Effects of Refractive Index Mismatch on PIV Results, Proceedings of 11th International Symposium on Particle Image Velocimetry - PIV15, 14-16 September 2015, Santa Barbara, USA
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(2011): Inverse Methods in Turbomachinery Applications, Aachen Conference on Computational Engineering Science (ACCES). Aachen, 01.01.2011
Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, nicht begutachtet
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(2013): Einfluss betriebs- und regenerationsbedingter Varianzen von Turbinenschaufeln, International Journal for Electricity and Heat Generation VGB PowerTech 2013 (11), S. 51–58
Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2015): Performance impact of high pressure compressor blisk roughness., DLRK 2015. DGLR. Rostock, 01.01.2015.
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(2013): Einfluss lokaler Rauheiten auf die aerodynamischen Verluste von Turbinenschaufeln, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2013, 10-12 September. Stuttgart
Dissertationen
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(2014): Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Turbinenbeschaufelungen, Leibniz Universität Hannover, Berichte aus Turbomaschinen und Fluid-Dynamik, Band 4/2014
