Numerische Berechnung und Analyse turbulenter Strömungen in radialen Turbomaschinen mittels hybrider LES-RANS Modelle und Dynamic Mode Decomposition

Für die Entwicklung von Turbomaschinen ist es wichtig, die Auswirkung der Strömung auf den Rotor exakt vorhersagen zu können. Besonders instabile Strömungszustände stellen dabei eine große Herausforderung dar. Im ersten Teil dieser Arbeit werden hybride Turbulenzmodelle dafür untersucht und verglichen. Klassische RANS-Modelle sind hierfür nur eingeschränkt geeignet. Die LES, die die Strömung genauer darstellen kann, ist jedoch zu aufwändig, um von Berechnungsingenieuren als alltägliches Entwicklungswerkzeug eingesetzt werden zu können. Eine genauere Erfassung der turbulenten, abgelösten Strömung und damit einhergehender Anregungsphänomene soll mit hybriden Turbulenzmodellen möglich sein. Von diesen ist das SAS-Modell das Älteste. Die neueren Modelle kombinieren LES und RANS auf verschiedene Arten miteinander. Im Fokus der Arbeit steht das neue SBES-Modell, das anhand aussagekräftiger Testfälle mit den anderen Modellen, SST und SAS, verglichen wird. Diese Untersuchung spiegelt den Gegensatz zwischen den lokalen Modellen, wie der DES und den globalen hybriden Turbulenzmodellen, wie der SAS, wieder. Die Auswirkung zonaler LES wird in diesem Kontext ebenfalls untersucht. Sie bewirkt in den gewählten Anwendungen nur beim Stanford-Diffusor eine Verbesserung bei der SBES. Die SBES löst ihr Versprechen, eine abgelöste Strömung genauer zu erfassen als die herkömmlichen Modelle, besonders beim Stanford-Diffusor ein. In der untersuchten Turbomaschine zeigt sie in Teilbereichen des Schaufelkanals bessere Ergebnisse, ohne jedoch nennenswert geringere Messabweichungen von der SAS im Ganzen zu zeigen. In den berechneten Anregungsspektren schlägt sich die höhere Qualität infolge der LES-Bestandteile nieder. Angesichts des großen Rechenaufwands, der zwar deutlich geringer ist als der der LES, aber auch noch deutlich größer als der der SAS ist, gilt es abzuwägen, ob eine SBES-Rechnung wirklich notwendig ist. Für Fragestellungen zu instationären Strömungen wird die SBES in Kombination mit künstlicher Turbulenz empfohlen. Einer weiten Verbreitung als alltägliches Arbeitsmittel steht ihr noch der Rechenaufwand entgegen. Bei der Entwicklung von Strömungsmaschinen sind Rechenwerkzeuge, die abgelöste und instabile Strömungszustände erfassen können, hilfreich und notwendig, um zu einem tiefergehenden Verständnis zu gelangen. Umso wichtiger wird es dabei auch, Werkzeuge und Analysemethoden für die Interpretation der berechneten Daten zu haben. Einfache statistische oder zeitgemittelte Größen sind nicht in der Lage, die Dynamik einer Strömung zu erfassen. Diese Werkzeuge, wie die FFT, sind insbesondere nicht in der Lage, räumlich zusammenhängende Strukturen zu identifizieren. Daraus resultiert die Notwendigkeit, die Datenmenge zu reduzieren und aus ihr die wesentlichen, energetisch bedeutsamen strömungsbestimmenden dynamischen Strukturen zu extrahieren. Damit wird es erst möglich, Strömungsphänomene als Anregungsmechanismen in Strömungsmaschinen wie Rotating Stall und oder Rotor-Stator-Interaktionen sichtbar zu machen und ihr Wirken auf ihre Umgebung zu verstehen. Diesen Bedarf adressieren in der Mechanik bereits bekannte Methoden wie die Proper Orthogonal Decomposition. Sie liefert räumliche Strukturen, sortiert nach ihrem Energieinhalt. Informationen über die zeitliche Dynamik bleiben außen vor. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Dynamic Mode Decomposition untersucht. Es werden die räumlich und zeitlich zusammenhängenden Strukturen aus der Strömungsberechnung eines Radialventilators extrahiert und einerseits mit Messungen, andererseits mit den Resultaten aus vorhergehenden Untersuchungen verglichen, die die DMD nicht verwendet haben. Die DMD liefert räumliche Moden mit Eigenwerten und bietet so ein ROM, das die Entwicklung energetisch relevanter Strömungsstrukturen abbildet. Ebenso wird untersucht und gezeigt, dass die DMD die Ausgangsdaten rekonstruieren kann und die dominanten Drehfrequenzen des Rotors erfasst. Dies gelingt wesentlich prägnanter und klarer als bei Vorläuferuntersuchungen. Damit lassen sich die Simulationsmodelle sicherer validieren. Diese Arbeit zeigt klar den Nutzen und Erkenntnisgewinn durch die Anwendung der DMD als Analysewerkzeug, um wichtige Strömungsstrukturen zu identifizieren, die zum Beispiel für Resonanz und strömungsinduzierte Schwingungen verantwortlich sind. Sofern die dynamischen Eigenschaften einer Strömung von Interesse sind und instationäre Rechnungen auszuwerten sind, wird die DMD als unverzichtbares Werkzeug empfohlen.