Untersuchung transitionaler Grenzschichtströmungen mit Berücksichtigung der Freistromturbulenz und der spektralen Turbulenzverteilung

Die Forderung nach immer effizienteren Antrieben in der Luftfahrt und steigenden Wirkungsgraden von stationären Gasturbinen erfordert weitere Verbesserungen bei der Auslegung der Turbinenschaufeln. Ein großes Potential ist hier bei der Vorhersage des laminar-turbulenten Übergangs vorhanden, da durch eine Verringerung der damit verbundenen Unsicherheit und eine präzisere Auslegung Kühlluft eingespart werden kann.

In dieser Arbeit wird deshalb ein neuer Prüfstand vorgestellt, mit dem eine breite experimentelle Datenbasis geschaffen wird, die zu Modellierungszwecken genutzt werden kann. Erstmals wird gezielt neben der Turbulenzintensität auch die spektrale Größenverteilung der Turbulenzwirbel variiert, wodurch die Einflüsse beider Parameter herausgestellt werden. Mit den Messdaten lässt sich ein signifikanter Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Starstelle der Transition darstellen.

Die Entwicklung einer neuen Messtechnik mit traversierbaren Heißfilmsensoren erlaubt eine bedeutende Steigerung der räumlichen Messauflösung bei dieser Messtechnik. Diese Technik eröffnet erstmals die Möglichkeit, den Bereich, in dem Turbulenzflecken entstehen, unter für Turbinen typischen Randbedingungen detailliert zu analysieren.

Im Anschluss an die experimentelle Untersuchung wird ein erster Modellierungsansatz für transitionale Grenzschichtströmungen vorgestellt, der sich durch separate Betrachtung der Produktionsrate und der Ausbreitungsparameter von Turbulenzflecken von herkömmlichen Modellen unterscheidet.