Validierung impliziter Large-Eddy-Simulationen anhand der oszillierenden Stoß-Grenzschicht-Interaktion in einer Hochdruckturbinenkaskade

Kurzfassung

Im Rahmen der Verbesserung von Flugzeugtriebwerken ist es sinnvoll Stoß-Grenzschicht-Interaktionen zu untersuchen, da es zu Grenzschichtablösungen innerhalb von Überschallgebieten an Triebwerkskomponenten durch Auftreten von Verdichtungsstößen kommen kann. Ablösungen gehen mit Energieverlusten einher. Im Rahmen des Projekts TFAST wurde ein Hochdruckturbinenprofil entwickelt, was durch eine starke Beschleunigung der Strömung die energieeffizienten laminaren Grenzschicht weitestgehend erhalten sollte. Zudem galt es die Grenzschichttransition gezielt in die Stoßregionen zu positionieren, um die Vorteile der ablösungs-resistenteren turbulenten Strömungen zu nutzen. Dieses Profil wurde bereits mit verschiedenen Messkampagnen und einer RANS-Studie untersucht, wobei es zu Unterschiede zwischen Simulation und Experiment im Stoßsystem kam. In dieser Arbeit wurden die bisherigen Ergebnisse mit einer hochauflösenden impliziten Large-Eddy-Simulation ergänzt und die Anwendung dieser zur Abbildung von oszillierenden Stoß-Grenzschicht-Interaktionen validiert. Betrachtet worden ist der transsonische Betriebspunkt der isentropen Abströmmachzahl von $Ma_{2,th}=1.05$. Nach Ermitteln der zu den Experimenten konsistenten numerischen Randbedingungen, wurde das LES-Setup bezüglich Betriebspunktkonsistenz, Netzauflösung und Domaingröße validiert. Die Ergebnisse der LES wurden im Anschluss mit den Ergebnissen aus den verschiedenen Messkampagnen verglichen und die auftretende Strömungsphysik näher analysiert. Dabei unterschied sich die CFD von den Messungenin der Stoßlage eines starken normalen Stoßes und das nicht Vorhandene oszillierende Verhalten dessen. Zudem trat in den Messungen ein weiterer Stoß, der in der CFD nicht abgebildet worden ist. Die Strömungsphysik innerhalb der betrachteten Hochdruckturbinenkaskade ist komplex aufgrund der starken Beschleunigung ausgelöst durch die spezielle Schaufelkrümmung. Es tritt eine Stoß-Grenzschichzt-Interaktion mit einem teilweise laminar-turbulenten Anlegen. Dabei ist ein Zusammenhang zwischen aus der Eintrittssturbulenz entstehenden Görter-Wirbeln und der hinter der Ablöseblase entstandenen Turbulenzkeile (auf der glatten Schaufel) festgestellt worden. Die vollständige Transition findet stromab auf dem Profil statt, durch Ausweiten der turbulenten Keile.