Virtual Reality in der Strömungsforschung
Interaktion von Leckageströmung und
Hauptströmung in einer Axialturbine
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Inhaltsverzeichnis
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Wissenschaftliches Kooperationsprojekt "Deckbandströmungseinfluss"
Laufschaufeln von Turbomaschinen weisen häufig Deckbänder auf, die an den Schaufelspitzen befestigt sind und den Schaufelkanal mit Hilfe einer berührungslosen Dichtung in Form von Labyrinthen gegen das Gehäuse weitgehend abdichten. Die verbleibende Leckageströmung bildet axial vor und hinter den Laufschaufeln Aus- bzw. Einmischstellen im Schaufelkanal.
In einem von der Turbomaschinenindustrie geförderten Kooperationsprojekt werden die Einflüsse dieser Leckageströmung auf die Hauptströmung und den Wirkungsgrad der Stufe untersucht und Konsequenzen für die Gestaltung der Beschaufelung abgeleitet. Während an der Ruhr-Universität Bochum an einem Axialturbinenprüfstand detaillierte Strömungsmessungen durchgeführt werden, setzt das Institut für Thermische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart seinen selbst entwickelten Strömungslöser ITSM3D zur Simulation der in der Versuchsturbine vorherrschenden Strömung ein.
Die untersuchte Strömung ist äußerst komplex – dreidimensional und instationär mit ausgeprägten Sekundärströmungen. Zur Analyse und Interpretation der Berechnungsergebnisse wird die Virtual-Reality-Technik eingesetzt.
In oben stehender Abbildung sieht man links das stromauf liegende Leitrad, in der Mitte das mit Deckband versehene Laufrad, rechts das stromab liegende Leitrad. Das Gehäuse der Maschine ist ausgeblendet. Die im Rotorsystem dargestellten Stromlinien zeigen deutlich, dass die Deckbandleckageströmung unumgelenkt über das Deckband schießt und deshalb mit überhöhtem Drall der Hauptströmung zugeführt wird. Dies führt zu einer Fehlanströmung des nachfolgenden Leitrads und zu zusätzlichen, bislang meist unberücksichtigten Verlusten.
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Bild in voller Auflösung: 2200x1400 Pixel und 1100x700 Pixel
Ausbildung der Leckageströmung; Oberflächeneinfärbung: statischer Druck, Stromlinieneinfärbung: Machzahl
Wiedereintritt der Leckageströmung in die Hauptströmung; Oberflächeneinfärbung: statischer Druck, Stromlinieneinfärbung: Machzahl
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Modellierung, Berechnung und Analyse
- Labyrinthdichtung wird vollständig diskretisiert
- Simulationen sowohl stationär als auch instationär
- 2.2 Mio. Gitterpunkte
- umfangreiche Variationen der Betriebsparameter
- Validierung mit Hilfe von Messwerten
- Auswertung: Wirkungsgrad, umfangsgemittelte Strömungsgrößen, 2D-Plots (Vektorbild)
sowie Virtual-Reality-Visualisierung (stationär: 3D, instationär: 4D)
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Bild in voller Auflösung: 1252x783 Pixel
Fehlanströmung der zweiten Leitradschaufelreihe infolge der Deckbandströmung (rot);
korrekte Anströmung in 70 % Kanalhöhe (grün); Übergangsbereich (gelb)
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Strömungslöser ITSM3D
- Finite-Volumen-Verfahren (RANS)
- Zelleckpunktsschema mit Zentraldifferenzen nach Jameson
- Beschleunigungstechniken: Lokale Zeitschrittweiten, implizites Residuenglätten, Mehrgittermethoden
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Besonderheiten:
- Zeitneigungsverfahren von Giles zur zeitgenauen Simulation von Turbomaschinenstufen mit beliebigen Schaufelzahlen
- Nichtreflektierende Randbehandlung nach Giles
- Präkonditionierung
- 5-stufiges Runge-Kutta-Zeitschrittverfahren
- Instationär: Implizites Dual Time Stepping
- Blockweise Parallelisierung (MPI)
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Die einzelnen Bilder in voller Auflösung (720x576 Pixel): 1. Bild, 2. Bild, 3. Bild und 4. Bild
Snapshots einer Virtual-Reality-Animation einer simulierten Turbinenströmung mit Leckageströmungseffekten.
Dargestellt sind Isoflächen der Radialgeschwindigkeiten
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Vorteile einer Virtual-Reality-Visualisierung
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Dreidimensionalität führt zu einer intuitiven Darstellung:
- Der Anwender bekommt schnell einen Überblick über die Geometrie und das Strömungsfeld
- Durch die räumliche Tiefe wird die örtliche Position der einzelnen Phänomene unmittelbar klar
- Im Gegensatz zu herkömmlichen Visualisierungstechniken mittels 2D-Schnitten ist kein ausgeprägtes räumliches Vorstellungsvermögen erforderlich
- Falls 2D-Schnitte zur Darstellung spezifischer Strömungsgrößen notwendig sind, ist die sinnvolle Lage der Schnitte unmittelbar ersichtlich
- Immersive Visualisierungstechniken erlauben eine Interaktion mit der Darstellung
- Durch die extreme Größe der Darstellung können auch Details im Kontext untersucht werden
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Bild in voller Auflösung: 690x567 Pixel
Strömung im Labyrinth und über die Deckbandspitzen
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