Modellierung des turbulenten Wärmeflusses in Turbomaschinenströmungen

Kurzfassung

Die numerische Berechnung der Aerothermodynamik einer filmgekühlten Turbine mittels 3D-CFD führt zu einem verbesserten Verständnis der Strömungs- und Temperatursituation. Typischerweise werden im industriellen Auslegungsprozess die reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen gelöst, die eine geeignete Modellbildung für die unbekannten Terme des turbulenten Impuls- und Wärmetransports erfordern. Es werden zwei verschiedene Modellansätze für den turbulenten Wärmetransport untersucht: Die einfache und die generalisierte Gradientendiffusion. Danach wird an einer wandgebundenen Grenzschicht sowie an einer freien Scherschicht die grundlegende Funktionalität der Modellierung nachgewiesen. Die Validierung eines verrippten Kühlkanals, eine filmgekühlte Turbinenseitenwand sowie die Berechnung der Ausmischung einer heißen Strähne geben einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit der Modellierung in der Anwendung beim Turbomaschinendesign. Es zeigt sich bei der Berechnung des Temperaturfelds der freien Scherschicht, dass die Modelle der generalisierten Gradientendiffusion den anderen Ansätzen überlegen sind. Insbesondere bei massiv filmgekühlten Turbinenschaufeln kann die generalisierte Gradientendiffusion zu einer verbesserten Berechnung der in einer turbulenten Turbinenströmung transportierten Wärmemenge führen.