Einfluss rauer Oberflächen auf transitionale und turbulente Grenzschichtströmungen. Neue Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 92/2023

Christoph Gramespacher

ISBN 978-3-8325-5646-4
233 pages, year of publication: 2023
price: 43.00 €
Einfluss rauer Oberflächen auf transitionale und turbulente Grenzschichtströmungen. Neue Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen https://doi.org/10.30819/5646

Um den Flugverkehr der Zukunft nachhaltiger zu gestalten, ist es nötig, die Effizienz von Flugtriebwerken zu erhöhen. Dadurch können die CO₂-Emissionen, die Stickoxide (NO_x), aber auch die Geräuschemissionen reduziert werden. Der thermische Wirkungsgrad eines Triebwerks wird primär über das Gesamtdruckverhältnis und die Turbineneintrittstemperatur bestimmt. Aber auch der Kühlluftbedarf, der zur aktiven Kühlung der Komponenten im Heißgaspfad benötigt wird, beeinflusst den thermischen Wirkungsgrad.

Diese Kühlluft wird dem Verdichter entnommen und beträgt bis zu 30% des Gesamtmassenstroms des Kerntriebwerks. Dadurch kann ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Gesamtmassenstroms nicht am thermodynamischen Prozess teilnehmen. Eine Reduktion dieses Kühlluftbedarfs führt zu einer direkten Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads.

Diese Arbeit schafft eine Datenbasis zur Entwicklung verbesserter Transitions- und Rauheitsmodelle. Hierzu wird unter anderem der Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Startstelle der Transition untersucht. Neben der Freistromturbulenz wird eine systematische Variation der Oberflächenrauheit inkl. deren Wärmeleitfähigkeit durchgeführt. An glatten Oberflächen wird erstmals die Entstehung und Ausbreitung von Turbulenzflecken mit einem hochauflösenden Heißfilmsensorarray untersucht. Diese Untersuchung ermöglicht einzigartige Einblicke in die Mechanismen der Transition. Weiterhin werden auf Basis dieser neuen Erkenntnisse zum Einfluss rauer Oberflächen auf Grenzschichtströmungen Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen entwickelt.