Beitrag zur Berechnung der Meridianströmung in Axialverdichtern auf der Basis der umfangsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen unter Berücksichtigung dreidimensionaler Einflüsse

Die Berücksichtigung dreidimensionaler Phänomene in einem 2D-Meridianströmungsmodell bildet das Ziel der Arbeit. Dies wird durch deterministische Spannungsterme, die in gebündelter Formals „Lumped Deterministic Source Term“ (LDST) aus den Strömungsfeldern von 3D-RANS-Simulationen berechnet werden, erreicht. Die Terme beinhalten Informationen über die Unterschiede zwischen dem 3D- und 2D-Modell. Dies sind im Wesentlichen die Abweichungen des Strömungsfeldes von der Rotationssymmetrie und Anteile, die aus dem 2D-Schaufelkraftmodell resultieren. Die im Hinblick auf die LDST untersuchten Strömungsfelder sind die eines axialen Verdichtergitters, das als Stator aufgebaut ist und einer Axialverdichterstufemit CDA-Profilierung und Vorleitrad. Die Strömung im Einzelgitter zeichnet sich durch eine großflächige Ablösung der Grenzschicht auf der Schaufelsaugseite nahe der Nabe aus und das Strömungsfeld im Laufrad der Verdichterstufe weist ein lokales Überschallgebiet auf. Die Analyse der LDST beider Konfigurationen zeigt, dass diese Quell- oder Senkenterme durch lokale nicht rotationssymmetrische Veränderungen im Strömungsfeld hervorgerufen werden. Solche Gradienten finden sich an den Vorder- und Hinterkanten der Schaufeln, in den Radialspalten, im Bereich von Verdichtungsstößen und Strömungsablösungen. Stromab der Hinterkanten klingen die Gradienten des Strömungsfeldes in Umfangsrichtung aufgrund von Mischungsvorgängen ab und somit auch die LDS-Terme. Die Überprüfung der aus den 3D-Rechnungen ermittelten LDS-Terme erfolgt durch die Berücksichtigung dieser Quell- oder Senkenterme im 2D-Meridianströmungsverfahren. Der Vergleich von derart berechneten Meridianströmungsfeldern mit den dichtegewichtet umfangsgemittelten 3D-Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Die Auswirkungen der LDST und somit der dreidimensionalen Phänomene auf die 2D-Meridianströmung sind im wesentlichen eine Umverteilung von Energie und Impuls in radialer Richtung und stehen in Verbindung mit den Strömungsverlusten.