M. Teich, M. Lawerenz

In dieser Arbeit stellen die Autoren stationäreRANS und umfangreiche instationäreURANS-, DES- und DDES-Rechnungen einer hochbelasteten Verdichter-Stator Kaskade vor, die Bestandteil eines Ringgitterwindkanals (RGWK) ist und für die das Phänomen der Rotierenden Instabilität (RI) experimentell nachgewiesen wurde. Das Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer Kombination aus Turbulenzmodellierungsmethode (URANS, DES, DDES), Rechengitter und Zeitschritt, welche geeignet ist das Phänomen der RI numerisch abzubilden. Nach aktuellem Kenntnisstand steht die RI in Zusammenhang mit subtilen Scherschichtinstabilitäten und daraus entstehendenWirbelsystemen, welche in Umfangsrichtung transportiert werden. Um zu prüfen, ob eine Simulation in der Lage ist solche Effekte abzubilden,wird das Kolmogorov-Energiespektrum herangezogen. Dabei handelt es sich um ein analytisches Modell, welches den Energietransfer von turbulenten Strukturen beschreibt und bestimmte Charakteristiken besitzt. Zunächst wird untersucht inwieweit die verwendeten Rechengitter das Modellspektrum, einzig bedingt durch die räumliche Diskretisierung, theoretisch abbilden können. Basierend auf anschließenden instationären Rechnungen werden im RI-relevanten Bereich (Schaufelvorderkante) Energiespektren berechnet und mit dem analytischen Modell verglichen. Für die Berechnung der Energiespektren werden innerhalb der Simulationen Autoleistungsspektren der Geschwindigkeitsfluktuationen an mehreren Positionen in alle drei Raumrichtungen bestimmt. Dabei ist insbesondere die Wiedergabe einer -5/3-Geraden, welche dem Zerfallsprozess von Wirbeln entspricht sowie eine einzuhaltende Cut-Off Frequenz von Bedeutung und wird als Beurteilungskriterium herangezogen. Erste Ergebnisse zeigen deutlich den Unterschied zwischen den Methoden RANS und DES bzw. DDES. Ebenfalls ist der Einfluss der Zeitschrittweite anhand des Spektrums eindeutig festzustellen.

In this work, the authors present stationary RANS and extensive unsteady URANS, DES, and DDES calculations of a highly loaded compressor-stator cascade, which is part of a ring grid wind tunnel (RGWK) and for which the phenomenon of rotating instability (RI) has been experimentally verified. The aim of this work is to identify a combination of turbulence modeling method (URANS, DES, DDES), computational grid, and time step that is suitable for numerically representing the phenomenon of RI. According to current knowledge, RI is associated with subtle shear layer instabilities and the resulting vortex systems, which are transported circumferentially. To test whether a simulation is capable of representing such effects, the Kolmogorov energy spectrum is used. This is an analytical model that describes the energy transfer of turbulent structures and possesses certain characteristics. First, it is investigated to what extent the computational grids used can theoretically represent the model spectrum, solely due to spatial discretization. Based on subsequent unsteady calculations, energy spectra are calculated in the RI-relevant region (blade leading edge) and compared with the analytical model. For the energy spectra calculation, autopower spectra of the velocity fluctuations at multiple positions in all three spatial directions are determined within the simulations. Of particular importance is the reproduction of a -5/3 straight line, which corresponds to the decay process of vortices, as well as adherence to a cut-off frequency, which is used as an evaluation criterion. Initial results clearly show the difference between the RANS and DES/DDES methods. The influence of the time step size is also clearly evident from the spectrum.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016, Braunschweig

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201611183262

Detached-Eddy-Simulation, Verdichterinstabilitäten

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18.11.2016