Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

Mittelschnitt transportiert. In einigen Fällen wird der saugseitige Hufeisenwirbelast auch in
einer spiralförmigen Bahn um den Kanalwirbel geführt. Der druckseitige Hufeisenwirbelast
läuft meist auf der Seitenwand Richtung Kanalmitte. Dort wird er von dem mit gleicher Rotationsachse
rotierenden Grenzschichtmaterial des Kanalwirbels umschlossen, bzw. vereint sich
mit dem Kanalwirbel. Die Bedeutung des Hufeisenwirbels auf die Sekundärströmungsphänomene
wurde erst vor kurzem erkannt. Die Ausprägung des Hufeisenwirbels ist stark von dem
Druckfeld, welches durch die Form und Größe der Profilvorderkante bestimmt wird, und dem
auftreffenden Grenzschichtmaterial abhängig. Ein starker Einflußparameter ist außerdem der
Inzidenzwinkel der Zuströmung zum Schaufelprofil. Bis jetzt gibt es noch kein quantitatives
Kriterium zur Bestimmung der Sattelpunktlage12 . Durch die Verscherung der Grenzschicht
führt der Hufeisenwirbel zu einem erhöhten Wärmeübergang in der Nähe der Eintrittskante an
der druck- und saugseitigen Schaufeloberfläche. Der Hufeisenwirbel läßt sich z. B. in Wasserkanälen
durch eine Visualisierung mit Tintenspuren oder in Windkanälen durch Rauch nachweisen.
Der Eckenwirbel entsteht normalerweise nur bei starker Belastung des Seitenwandprofilschnitts
und einem dadurch stark ausgeprägten Kanalwirbel. Wenn das zum Kanalwirbel gehörende
Grenzschichtmaterial auf der Seitenwand stark beschleunigt unter einem stumpfen
Winkel auf die Profilsaugseite auftrifft, kommt es zum gleichen Mechanismus wie bei der Entstehung
des Hufeisenwirbels. In der Ecke zwischen Profilsaugseite und Seitenwand bildet sich
dadurch unter dem Kanalwirbel ein zum Kanalwirbel entgegengesetzt rotierender Wirbel, der
Eckenwirbel, aus. Der Eckenwirbel ist normalerweise sehr klein. Experimentell sind nur selten
Ablöselinien auf Ölanstrichbildern detektierbar.
Der Hinterkantenwirbel kann in der Profilabströmung durch die Scherwirkung zwischen den
saug- und druckseitigen Kanalwirbeln entstehen. Die an der Hinterkante aufeinandertreffenden
Kanalwirbelseiten haben in Schaufelhöhenrichtung entgegengesetzt gerichtete Sekundärströmungsvektoren.
Diese Scherwirkung reicht bei starken Kanalwirbeln zur Ausbildung eines
Wirbels aus. In vielen Fällen ist die druckseitige Kanalwirbelseite allerdings im Bereich der
Profilabströmung bereits stark zur Saugseite transportiert worden, so daß die Scherwirkung
nicht mehr zur Ausbildung des Wirbels ausreicht.
Die verschiedenen Sekundärwirbel können in Turbomaschinen nie als eigenständige Phänomene
betrachtet werden, da sie sehr stark interagieren. Aus der Kombination der verschiedenen
Transportvorgänge ergibt sich ein komplexes dreidimensionales Strömungsbild. Wang et
al. 1995 [78] führt eine Strömungsvisualisierung unter der Verwendung von Laserlicht und
Rauchfäden durch. Daraus entwickeln sie das Multiwirbelstrommodell der Sekundärströmung
12. Als Sattelpunkt wird der Punkt der Ablöselinie des Hufeisenwirbels auf der Staupunktstromlinie bezeichnet.
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