Transitions- und Turbulenzsimulierung für periodisch instationäre Strömungen in Turbomaschinen

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Die Direkte Numerische Simulation (DNS) hat sich zu einer äußerst leistungsstarken und aussagekräftigen Methode zur Untersuchung der komplexen Transitions- und Turbulenzvorgänge in wandnahen Strömungen entwickelt. Ihr Einsatz bietet sich insbesondere bei Grenzschichten an Schaufelprofilen an wegen der relativ niedrigen Reynoldszahlen und des Einflusses von Freistromturbulenz auf die Transition sowie wegen des Auftretens von Ablöseblasen mit Umschlag, die experimentell schwierig im Detail zu untersuchen sind. Ergänzend zu den parallelen Experimenten im Verbundvorhaben und mit dem Ziel zur Modellierung von Transition und Turbulenz in instationärer Strömung beizutragen sollen daher DNS Rechnungen für Grenzschichten unter dem Einfluß periodischer Anströmung, insbesondere auch mit Nachläufen durchgeführt werden. Ausgangspunkt für das Rechenverfahren soll ein vielfach erprobter LES Code sein. In den Rechnungen soll schrittweise die Komplexität des zu berechnenden Problems erhöht werden; zunächst sollen Grenzschichten an ebenen Platten berechnet werden und hier sollen zuerst am Fall der stationären Grenzschicht die Anforderungen an die numerische Genauigkeit und Auflösung und die Vorgabe von Randbedingungen getestet werden. Es folgen Rechnungen mit periodisch instationärer Anströmung, zunächst ohne Nachlaufturbulenz, dann aber mit periodischen Nachläufen in der Zuströmung. Schließlich wird für diesen Zuströmfall auch die Strömung in einem Gitterkanal und insbesondere die Grenzschicht und der Wärmeübergang an einem Schaufelprofil berechnet. In einer zweiten Projektphase sollen die Detailinformationen aus den DNS Rechnungen zur Erstellung von Modellen für die Beschreibung der Transitions- und Turbulenzvorgänge in CFD Codes verwertet und diese Modelle anhand von Testrechnungen in Kooperation mit den übrigen Partnern verifiziert werden.