Numerische Modellierung turbulenter Strömung mit Wärmeübergang in einer konvektiv gekühlten Turbinenschaufel

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss höherwertigerer Modellierungsansätze der Reynoldsspannungen und des turbulenten Wärmestroms auf den Wärmeübergang und die Aufheizung der Luft in vereinfachten Kühlkanälen sowie der Materialtemperatur in einer realen konvektiv gekühlten Gasturbinenschaufel untersucht. Dazu werden numerische Ergebnisse aus CFD- und CHT-Rechnungen mit experimentellen Daten eines Kaltluftkanal- und Heißgasgitterprüfstandes des Instituts für Strahlantriebe und Turbomaschinen verglichen. Ziel ist die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit des inneren Wärmeübergangs in Kühlkanälen und der Temperaturverteilung einer konvektiv gekühlten Gasturbinenschaufel.

Aus den Ergebnissen einer glatten und einer mit Rippen versehenen Konfiguration des Kaltluftkanals zeigt sich, dass der Einsatz von höherwertigen Modellen der Reynoldsspannungen sowie des turbulenten Wärmestroms zu einer deutlichen Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit des inneren Wärmeübergangs führt. Dabei ist zu beachten, dass erst ein für den jeweiligen Anwendungsfall geeignetes Modell für die Reynoldsspannungen gewählt werden sollte, welches das Strömungsfeld möglichst gut wiedergibt, bevor die höherwertigen Modelle für den turbulenten Wärmestrom zum Einsatz kommen. In beiden Konfigurationen lieferte ein explizit algebraische Reynoldsspannungsmodell in Kombination mit einem implementierten explizit algebraischen Ansatz für den turbulenten Wärmestrom die besten Ergebnisse.

In der konvektiv gekühlten Gasturbinenschaufel kann durch ein Turbulenzmodell, welches die Reynoldsspannungen mit einem anisotropen Ansatz modelliert in Kombination mit einer explizit algebraischen Schließung der gemittelten Energieerhaltungsgleichung nicht nur das Niveau der Materialtemperatur parallel verschoben werden. Es werden zusätzlich charakteristische Bereiche wie beispielsweise der Temperaturgradient zwischen dem Staupunkt und dem saug- beziehungsweise druckseitigen Temperaturminimum genauer vorhergesagt. Somit kann auch in diesem Anwendungsfall die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Ergebnisse der CHT-Rechnung durch den Einsatz höherwertigerer Modelle sowohl für die Reynoldsspannungen als auch für den turbulenten Wärmestrom deutlich erhöht werden.