Strömungsmechanische Untersuchung von flächenvariablen Mischsystemen im Triebwerk

Abstract

Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, die Mischungsvorgänge zweier Triebwerksströme hinsichtlich Druckverlust und Mischungsweglänge zu untersuchen und mit einem einfachen analytischen 0D-Modell zu vergleichen. Dafür wurde ein geeignetes CFD-Setup und ein analytisches 0D-Modell aufgestellt. Zum Vergleich diente die Entropiezunahme zwischen Ein- und Austritt des Mischers. Anhand mehrerer Parameterstudien wurden unterschiedlichste Randbedingungen betrachtet und deren Einfluss auf die Entropiezunahmen sowie der Abweichung des analytischen Modells von dem CFD-Modell. Eine erste Parameterstudie stellte sich allerdings als nicht aussagekräftig heraus, da die gewählten Randbedingungen nicht dem Einsatzbereich des Mischers entsprechen und zu zu hohen Ma-Zahlen führen. Die zweite Parameterstudier betrachtet den Einfluss von Flughöhe, Flugmachzahl und reduzierter Fan Drehzahl. Für hohe Flughöhen und gereinge Flugmachzahlen nimmt die Entropiediferenz zwischen Ein- und Austritt des Mischers deutlich zu. Für geringere Flughöhen ist die Entropiezunahme allgemein niedrig. Beim Vergleich des CFD-Modells mit dem analytischen Modell, kann kein konkreter Wertebereich für das Modell festgestellt werden. Es lässt sich nur sagen, dass das analytische Modell für hohe Flughöhen ungenauer wird. Hier sind die größten Abweichungen zwischen CFD-Modell und analytischem Modell zu finden. In einer dritten Parameterstudie konnte eine deutliche Abhängigkeit der Entropiezunahme von der Totaltemperaturdifferenz am Eintritt festgestellt werden. Höhere Differenzen liefern höhere Entropiezunahmen. Der Vergleich von CFD-Modell und analytischem Modell liefert hohe Abweichungen bei niedrigen statischen Drücken am Austritt. Hier wird das analytische Modell ungenau. Bei Schließung eines Eintritts entstehen durch die plötzliche Querschnittserweiterung Verwirbelungen, die zu hohen Druckverlusten führen. Eine Untersuchung, welchen Einfluss der Strömungswinkel auf die Totaldruckverluste zwischen Ein- und Austritt hat, hat ergeben, dass die Verluste bei größerem Winkel zunehmen. Ein Mischer wurde umfangreich mit Hilfe von CFD untersucht und mit analytischen Betrachtungen verglichen. So wurde ein umfassendes Bild davon geschaffen, welche Unsicherheiten bei einem analytischen Modell, wie es bei der thermodynamischen Vorauslegung eines Triebwerks zum Einsatz kommt, auftreten können.