Forschung im HLRN-Verbund 2011

114Rotierende Lärmquelle hinter GitternNumerische Simulation und Analyse der Interaktion von Strömung und Schall ineinem stehenden VerdichterringgitterR. van Rennings, M. Steger, K. Ehrenfried, F.Thiele, Institut für Strömungsmechanik und TechnischeAkustik, Technische Universität BerlinKurzgefasst• In modernen Axialverdichtern von Turbomaschinenkönnen strömungsmechanische Instabilitätenauftreten. Die Verdichterschaufeln werdenstarken Vibrationen ausgesetzt.• Hochauflösende Simulationen einer Axialverdichterkomponentesollen Einblick in die Physikdieser Instabilität ermöglichen.• Ziel des Projekts ist die Identifikation des Instabilitätsmechanismusund der Charakteristiken desabgestrahlten Lärms.• Hohe numerische und statistische Genauigkeitmachen speicherintensive und lange Simulationennotwendig.Moderne Flugtriebwerke werden stetig weiterentwickeltund neue Technologien zur Reduktionvon Emissionen werden untersucht. EinSchlüsselfaktor zur Steigerung der Effizienz vonTurbomaschinen – und damit der Reduktion desTreibstoffverbrauchs – ist der Verdichterwirkungsgrad.Kann dieser verbessert werden, steigt damitdie Effizienz des gesamten Triebwerks.Diese Entwicklung führt bei modernen Verdichterschaufelnzu hohen aerodynamischen Belastungenund erhöht die Gefahr des Auftretensvon strömungsmechanischen Instabilitäten in Bereichenaußerhalb des optimalen Betriebspunkts.Solche Instabilitäten können zum Beispiel einzelneSchaufeln des Verdichters zum Schwingenanregen, was sich mitunter negativ auf die Lebensdauerdieser auswirkt. Zusätzlich verschlechternderartige Instabilitäten den Wirkungsgrad underhöhen das Maß des abgestrahlten Lärms. Esist also von großem Interesse mögliche Instabilitätsmechanismenzu verstehen, um sie vermeidenzu können.Im Rahmen des hier beschriebenen Projektssoll der Mechanismus der Rotierenden Instabilitätin Verdichterstufen untersucht werden. DasPhänomen der Rotierenden Instabilität ist seitlängerem bekannt. Der Name wurde von Kameierund Neise geprägt und wird in [1] diskutiert.Bei den Messungen von Kameier undNeise wurden sowohl Druck- als auch Schallmessungenim Referenz- und rotierenden Systemdurchgeführt. Die Rotierende Instabilität wurdein allen Messungen als bewegte, in Umfangsrichtungrotierende Schallquelle identifiziert. Nachdem bisherigen Stand der Forschung wird diesesInstabilitätsphänomen in engen Zusammenhangmit dem Aufplatzen des sogenannten Spaltwirbelsgebracht (Schrapp [2]), welcher durch eineAusgleichsströmung von der Druck- (konkavgekrümmt) zur Saugseite (konvex gekrümmt) einerSchaufel durch den konstruktiv bedingten Spaltzwischen Schaufel und Gehäusewand entsteht.Dieser dient der Entkopplung der Rotationsbewegungender unterschiedlichen Bauteile.Wie zuvor beschrieben, wird vermutet, dassder Instabilitätsmechanismus auf dem Aufplatzendes Spaltwirbels beruht. Hierbei zerfällt der Wirbelkernin kleinere turbulente Strukturen. Dieserströmungsmechanische Vorgang muss von demBerechnungsverfahren korrekt abgebildet werden.Hierzu ist die Methode der sogenannten DelayedDetached-Eddy Simulation (DDES) in der Lage.Diese Methode beschreibt bei ausreichend hoherGitterauflösung einen Großteil der turbulentenSchwankungsbewegungen und nur ein geringerAnteil wird modelliert. Die Methode verwendetein Wirbelviskositäts-Modell für kleinskalige,energiearme turbulente Schwankungen, derenEigenschaften eine einfache Modellierung zulassen.Solche Modelle sind heutzutage Standardin der Berechnung von Strömungen mit der Methodeder RANS-Gleichungen (Reynolds-averagedNavier-Stokes). Des Weiteren wird bei der DDES-Methode die Turbulenz innerhalb der wandgebundenenGrenzschichten modelliert, da sich auchhier die RANS-Modelle besonders eignen.Neben der korrekten Wiedergabe der strömungsmechanischenEigenschaften, erfordert dieuntersuchte Strömung die Abbildung der erzeugtenund abgestrahlten aeroakustischen Störungen. Zudiesem Zweck werden mit dem numerischen Verfahrendie kompressiblen Strömungsgleichungengelöst, welche diese beiden Eigenschaften derStrömung beschreiben.Gegenstand der Untersuchungen im Rahmendieses Projekts ist eine Statorkonfiguration bestehendaus 20 Verdichterschaufeln, die durcheinen Spalt von der Nabe getrennt sind (vergleicheauch Abbildung 1). Die Konfiguration wurdezum Zweck der Untersuchung von Verdichterinstabilitätenkonstruiert und weist daher die gleichengeometrischen und strömungsmechanischen Parameterauf, wie moderne Flugtriebwerkverdichter.Ingenieurwissenschaften