Département de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique STI-SGM (Laboratoire de thermique appliquée et de turbomachines LTT)

Oszillierender senkrechter Verdichtungsstoss in einer ebenen Düse

Ott, Peter ; Bölcs, Albin (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1991 ; no 985.

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    Summary
    This investigation centers on the effects of oscillating normal shocks in unsteady flow. Systematic measurements in a turbine model in an annular cascade preceded the detailed investigations. This setup was used to detect the phenomena which cause shock induced flutter. The phenomenon "oscillating shock" was then isolated and investigated in a 2-D nozzle. The objectives of the investigation were the Installation of a system for the excitation of periodic oscillations of a normal shock in a nozzle. Measurement of the behaviour of the normal shock and the unsteady pressures in the frequency range existing in turbomachines (0 to 200 Hz excitation frequency). Investigation of the effects of the boundary layer on the response of an unsteady pressure transducer under the influence of an oscillating shock. Creation of a computation program for nonlinearized unsteady flows in nozzles containing an oscillating normal shock; emphasis is put on sharp shock capturing. Introduction of viscosity models in the computational program for estimating the influence of the boundary layer on the behaviour of the shock and the unsteady pressures. For the measurement, different current methods were used. The determination of the unsteady shock position was made by both a laser-2-focus-velocimeter and a line scan camera. The unsteady pressures were measured with unsteady pressure transducers at several positions in the side wall of the nozzle. Close to the shock, laser holography was used to obtain information about the zone of interaction between the shock and the boundary layer. The computation method developed is based on the Euler equations in conservative form. For viscous computations, the viscosity terms are included as perturbing terms inside the system of equations. With the aid of the flux-vector-splitting-method, the domains of physical influence are correctly taken into account. Thus, the shock is sharply captured (within only two mesh points). The main results of this work are The boundary layer over an unsteady pressure transducer has a quasi-steady behaviour with respect to the phase lag, but not with respect to the pressure amplitude. This means that the pressure fluctuations are in phase with the shock movement. The pressure amplitude depends on the frequency and on the boundary layer thickness. The wall region influenced by the shock is increased due to the boundary layer. The pressure increase or decrease takes place in a larger region on the wall. Thus, the pressure transducer sees the arriving shock before it has actually reached the position of the pressure transducer. The computational program developed was successfully validated with other available computational methods for steady state flows. The computed unsteady phenomena match well the results of the measurements. The computational method is tested and can now be upgraded for the computation of unsteady flows through oscillating cascades.
    Zusammenfassung
    Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit den instationären Strömungseffekten infolge oszillierender senkrechter Verdichtungsstöße in Turbomaschinen. Den detaillierten Messungen gingen eingehende Messungen an einem Turbinengittermodell im Ringgitterkanal voraus. Dabei wurden die Phänomene festgestellt, die zum Schaufelflattern führen. In einer ebenen Düse wurde daraufhin das zu untersuchende Phänomen "oszillierender Stoß" isoliert und untersucht. Die Ziele der Untersuchungen waren: Ausrüstung einer Düse mit einem geeigneten System zur Anregung periodischer Schwingungen eines Verdichtungsstoßes. Messung des Verhaltens des senkrechten Verdichtungsstoßes und der instationären Drücke für einen Frequenzbereich, wie er in Turbomaschinen auftritt (0 bis 200 Hz Erregungsfrequenz). Auskünfte über die Auswirkungen der Grenzschichteinflüsse auf die Antwort eines instationären Druckaufnehmers unter dem Einfluß eines oszillierenden Verdichtungsstoßes. Erstellung eines nichtlinearisierten instationären Rechenprogramms zur Berechnung von Strömungen in Düsen mit oszillierenden senkrechten Verdichtungsstößen. Dabei wird großes Gewicht auf eine scharfe Erfassung dieser Verdichtungsstöße gelegt. Einbau von Reibungsmodellen in das Rechenprogramm zur Abschätzung der Grenzschichteinflüsse auf das Verhalten des Stoßes und des instationären Druckverlaufs. Bei den Messungen kamen unterschiedliche moderne Meßmethoden zum Einsatz: Die Bestimmung der instationären Stoßlage wurde sowohl mit dem Laser-2-Fokus-Verfahren als auch mittels einer Zeilenkamera vorgenommen. Der instationäre Druckverlauf wurde mit instationären Druckaufnehmern an mehreren Stellen an der Kanalseitenwand gemessen. In der Nähe des Stoßes wurde die Laserholographiemethode eingesetzt, um Informationen über die Zone der Interaktion zwischen Stoß und Grenzschicht zu erhalten. Die entwickelte Rechenmethode basiert auf den Eulergleichungen in ihrer Erhaltungsform. Bei reibungsbehafteten Rechnungen werden die Reibungsterme als Störglieder in die Gleichungen aufgenommen. Mit Hilfe der Flux-Vektor-Splitting-Methode werden die physikalischen Einflußgebiete korrekt berücksichtigt. Der Verdichtungsstoß wird daher sehr scharf erfaßt (innerhalb von nur zwei Rechenpunkten). Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind: Die Grenzschicht über einem instationären Druckaufnehmer verhält sich im Hinblick auf die Phasenlage, nicht jedoch auf die Druckamplitude, quasistationär. Dies heißt, daß die Druckschwankungen und die Stoßbewegung in Phase sind. Die Druckamplitude hängt jedoch stark von der Frequenz und von der Dicke der Grenzschicht ab. Der Einflußbereich des Stoßes an der Wand ist als Folge der vorhandenen Grenzschicht vergrößert. Der Druckanstieg bzw. -abfall findet über einen größeren Bereich statt. Daher erfährt ein Druckaufnehmer bereits etwas von der Ankunft des Stoßes, bevor dieser die Position des Druckaufnehmers erreicht hat. Das entwickelte Rechenprogramm wurde stationär mit anderen zur Verfügung stehenden Rechenmethoden erfolgreich validiert. Die berechneten instationären Phänomene stimmen sehr gut mit den Meßer– gebnissen überein. Die Rechenmethode hat sich bewährt und kann weiter ausgebaut werden zur Berechnung der instationären Strömung in schwingenden Schaufelgittern.
    Résumé
    Le travail présenté ci-dessous traite des effets instationnaires de l'écoulement, dus à la présence de chocs droits oscillants, à travers des turbomachines. Des mesures systématiques dans un modèle de grille de turbine dans un canal annulaire ont précédé les mesures détaillées. Pendant ces essais les phénomènes provoquant le flottement induit par des oscillations des chocs ont été détectés. Le phénomène "choc en oscillation" a alors été isolé dans une tuyère bidimensionnelle, afin de permettre son étude. Les recherches menées ont eu pour objectifs: Equiper une tuyère d'un système permettant l'excitation d'un choc à des fréquences données. Mesurer le comportement du choc droit et des pressions instationnaires pour une plage de fréquences réaliste pour les turbomachines (fréquences d'excitation entre 0 et 200 Hz). Etude de la réponse d'un capteur de pression instationnaire à l'influence de la couche limite en présence d'un choc droit oscillant. Développer un programme instationnaire non linéarisé pour le calcul d'écoulements dans des tuyères avec des chocs droits oscillants (la détection précise des chocs étant primordiale). Implémentation de modèles de viscosité dans le programme de calcul, afin d'estimer l'influence des couches limites sur le comportement du choc et des pressions instationnaires. Pendant les essais, différentes méthodes de mesure ont été utilisées: La position instantanée du choc a été déterminée avec la méthode Laser-2-focus, ainsi qu'avec une caméra linéaire. Les pressions instationnaires ont été mesurées par des prises de pressions instationnaires en plusieurs positions sur la paroi latérale du canal. Proche du choc, la méthode "laser-holographie" a été utilisée pour étudier la zone d'interaction entre le choc et la couche limite. La méthode de calcul développée est basée sur les équations d'Euler dans leur forme conservative. Pour les calculs, les termes visqueux peuvent être introduits dans les équations comme termes de diffusion. Les domaines d'influence physique sont correctement respectés par l'utilisation de la méthode "Flux-Vector-Splitting". Le choc est alors capté très précisément (en seulement deux points de maillage). Les résultats les plus importants de ce travail sont: La couche limite située au-dessus d'un capteur de pression instationnaire se comporte de manière quasi stationnaire en ce qui concerne la phase, mais pas en ce qui concerne l'amplitude de pression. Ceci voulant dire que les variations de pression et le mouvement du choc sont en phase, l'amplitude de la pression dépendant fortement de la fréquence et de l'épaisseur de la couche limite. Le domaine d'influence du choc à la paroi croît par la présence de la couche limite; la variation de la pression s'effectue dans un domaine plus étendu. Pour cette raison, le capteur de pression détecte l'arrivée du choc avant que celui-ci n'ait atteint effectivement la position du capteur. Le programme de calcul développé a été comparé avec succès à d'autres méthodes de calcul pour des écoulements stationnaires. Les phénomènes instationnaires calculés correspondent bien aux résultats des mesures. La méthode de calcul a été confirmée et peut être développée pour le calcul de l'écoulement instationnaire dans des grilles d'aubes en vibration.