Experimenteller Beitrag zur verbesserten numerischen Simulation der turbulenten Strömung in Rückführkanälen mehrstufiger Radialverdichter

Die Rückführgeometrie ist ein charakteristisches Bauteil mehrstufiger, einwelliger Radialverdichter, wie sie in vielen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ihre Aufgabe besteht in der verlustarmen und homogenisierten Rückführung der Laufradströmung zur nachfolgenden Stufe.

Der Fokus der Arbeit liegt in der Untersuchung der Unsicherheiten gängiger numerischer Berechnungsverfahren zur Strömungsvisualisierung innerhalb der Rückführgeometrie eines Radialverdichters mit hoher Durchflusskennziffer. Dabei wird deutlich, dass die Berücksichtigung von turbulenten Schwankungsbewegungen besonders im 180°-Bogen der Rückführung von hoher Bedeutung ist. Der Vergleich mit Messdaten zeigt, dass Simulationen mit klassischen Zweigleichungs-Modellen die Turbulenz und damit den Energie- und Impulstransport quer zur Hauptströmungsrichtung nur unzureichend berücksichtigen. Deshalb können solche Verfahren nicht zur zielsicheren Auslegung und Optimierung insbesondere der Rückführbeschaufelung eingesetzt werden. Die mangelnde Berücksichtigung des turbulenten Transports führt zu inhomogenen Strömungsprofilen innerhalb des Kanals. Hieraus ließen sich lediglich Optimierungsansätze ableiten, die zu einer realen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit führen.

Im Vergleich zu einfachen Modellen zeigen Rechnungen mit höherwertigen Turbulenzmodellen eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den Messdaten bezüglich der Strömungsprofile. Allerdings verringern die zusätzlichen Gleichungen die Stabilität des Gleichungssystems und erhöhen den Rechenaufwand. Letztlich zeigen die Ergebnisse einer Grobstruktursimulation, bei der großskalige Turbulenzstrukturen räumlich und zeitlich aufgelöst werden, die beste Übereinstimmung. Allerdings macht eine Rechenzeit von mehreren Monaten pro Betriebspunkt dieses Verfahren im täglichen Ingenieursbetrieb unwirtschaftlich. Daher können und müssen die akquirierten Mess- und Simulationsdaten genutzt werden, um bestehende einfache Turbulenzmodelle zu verbessern. Hierzu werden zum Ende dieser Arbeit, basierend auf Messungen und Daten der Grobstruktursimulation, mögliche Wege aufgezeigt, den turbulenten Transport innerhalb der vorhandenen Modelle besser zu berücksichtigen.

Return channels are characteristic components of single-shaft multistage centrifugal compressors and used in many industrial applications. Return channels are applied to guide the impeller outflow to the following compressor stage

In this work deficits of modern conventional numerical simulations in calculating the return channel flow of radial compressors at high flow coefficients are investigated. It is clarified, that the consideration of turbulent effects, especially in the 180°-bend, is of utmost importance when using numerical methods. The comparison between experimental and numerical data exhibit an insufficient turbulent energy and momentum transport in transversal flow direction when applying two-equation turbulence models for numerical simulations. Thus, such turbulence models are unsuitable for automated design and optimization of return channel geometries. The failing turbulence consideration leads to inhomogeneous flow profiles within the return channel. Thus, optimization approaches only based on numerical data will result in declined stage performance.

Results of numerical simulations using advanced turbulence models, for example Reynolds-Stress models, show only little better accord with experimental data regarding the flow profiles. However, the system of equations becomes instable because of additional equations in the turbulence model. Furthermore, the computational demand increases as the number of equations increases. Finally, results of a large eddy simulation which resolves large turbulent structures in space and time show best accord with experimental data. Unfortunately, such calculations are noneconomical for industrial purpose because of enormous computing times up to several months per operating point. Thus, conventional turbulence models have to be improved on the basis of experimental and numerical data. This work concludes with approaches, based on experimental data and data obtained from the large eddy simulation, to improve conventional turbulence models and to better consider the turbulent transport.

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Dolle, B., 2021. Experimenteller Beitrag zur verbesserten numerischen Simulation der turbulenten Strömung in Rückführkanälen mehrstufiger Radialverdichter. https://doi.org/10.17185/duepublico/74012
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