Numerische Simulation instationärer, abgelöster Strömungen im Zeit- und Frequenzbereich

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Vorhersage mit dem Strömungslöser TRACE von selbst-erregten Instabilitäten im Kontext von nicht-synchronen Vibrationen in Turbomaschinen. Motiviert durch die Effizienzsteigerung gegenüber Zeitbereichsverfahren, soll die Eignung von Harmonic Balance für diese Phänomene geprüft werden. Die Tauglichkeit ist fragwürdig, da sich bisherige Anwendungen auf Fälle beschränken, bei denen die Fundamentalfrequenz als essentielle Voraussetzung des Verfahrens vorliegt, wohingegen hier diese Frequenz eine Unbekannte ist. Dafür werden 2D-Testfälle eines laminar umströmten Zylinders sowie der Überströmung einer Kavität betrachtet. Für den Zylinder stellt sich eine Suchstrategie für die unbekannte Fundamentalfrequenz nach Spiker als zielführend heraus. Aufbauend darauf gelingt es mit Harmonic Balance verifizierte und validierte Ergebnisse bereitzustellen. Darüber hinaus kann durch breitgefächerte Unsicherheiten in der Fundamentalfrequenz das Verhalten der Frequenzbereichsmethode dazu analysiert und Grenzen der Suchstrategie aufgezeigt werden. Ebenfalls liegen Untersuchungen zum Verhalten der Lösung bei einer variierenden Anzahl von betrachteten Frequenzen vor. Für die weitaus komplexere Kavität gelingt es mit der Frequenzsuche die physikalische Frequenz zu ermitteln und mit Harmonic Balance erfolgreich das Strömungsphänomen darzustellen. Jedoch offenbart die Validierung Ungenauigkeiten für die Simulation im Zeit- und Frequenzbereich, sodass weiterführende Untersuchungen notwendig sind. Motivation dazu könnte eine überlegene Lösungsqualität von Harmonic Balance sein.