Numerische Untersuchung dynamischer Effekte in der Strömung um angestellte Tragflügel

Instationäre Effekte spielen in Strömungsmaschinen wie Pumpen, Verdichtern oder Turbinen eine große Rolle. Von besonderer Bedeutung sind dabei Fluktuationen mit großer Amplitude, wie sie z.B. durch Ablösungen bei Teillast hervorgerufen werden. Die Fluktuationen sind mit wechselnder Belastung der Bauteile durch Fluidkräfte verbunden und können damit im Resonanzfall zu Schwingungsproblemen führen. Im tiefen Teillastbereich treten durch Fehlanströmung der Eintrittskante Ablösungen auf, die nicht stabil sind, sondern in der Maschine umlaufen. Die Umlaufgeschwindigkeit der Wirbelgebiete ist in der Regel kleiner als die Rotationsgeschwindigkeit des Laufrades, aber bei Auslegung nicht bekannt. Man nennt dieses Phänomen daher rotierende Abreißströmung (rotating stall). Die Frequenz des rotating stall ist auf Grund der möglichen Schwingungsanregung von großer Bedeutung und kann entweder im Experiment, oder auch mit Hilfe moderner Simulationsverfahren bestimmt werden. Am Institut wird mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation (CFD) das Teillastverhalten einer Pumpe untersucht. Dabei spielt die Behandlung der Turbulenz eine entscheidende Rolle. Klassische Turbulenzmodellierung ist nur bedingt für Strömungen mit Ablösungen geeignet. Verfahren wie LES (Large Eddy Simulation), welche turbulente Strukturen ganz oder zum Teil auflösen, sind auf Grund des enormen Rechenaufwandes derzeit noch nicht für einen Einsatz in Pumpenströmungen geeignet. Es gibt allerdings neue hybride Entwicklungen, wie z.B. DES (Detached Eddy Simulation), die anliegende Strömungen mit einem klassischen Turbulenzmodell und abgelöste Gebiete mit LES ähnlichen Ansätzen berechnen. Der Vorteil dieser Methoden liegt in einer drastischen Reduzierung der Anzahl der Gitterpunkte im Vergleich zu einer LES Rechnung für das gesamte Fluidvolumen. Dennoch erfordert diese Methode Hochleistungsrechner, um in sinnvollen Rechenzeiten (im Bereich von Tagen) Ergebnisse zu erzeugen. Im Rahmen des Projektes werden zunächst hybride Modelle zur Berechnung turbulenter Strömungen validiert. Nach der Bewertung von einfachen in der Literatur dokumentierten Testfällen wird die Eignung des Modells zur Simulation des rotating stall untersucht. Es stehen detaillierte Messungen an einer Pumpe für Vergleiche zur Verfügung. In weiterführenden Untersuchungen soll der Einfluss der Anström- und Abströmbedingungen auf Frequenz und Beginn des rotating stall untersucht werden. Dazu werden Spiralgehäuse mit Hinblick auf Minimierung der Rotor Stator Interaktion entworfen und optimiert. Der Wirkungsgrad wird als wichtigstes Entwurfskriterium ebenfalls berücksichtigt. Die Anströmbedingungen werden durch typische Einbauten in der Saugleitung wie Diffusoren oder Krümmer berücksichtigt. Im Ergebnis soll demonstriert werden, dass durch den Einsatz von CFD ein wichtiger Beitrag zur Vorhersage von möglichen Schwingungsproblemen in Laufrädern geleistet werden kann.