Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5178
Main Title: Numerical simulation and modelling of sound generated by rotating instabilities in an annular compressor cascade
Translated Title: Numerische Simulation und Modellierung der Schallemissionen durch rotierende Instabilitäten in einem Verdichterringgitter
Author(s): Rennings, Ruben van
Referee(s): Thiele, Frank
Ehrenfried, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This work addresses the phenomenon of rotating instability (RI), which is known to occur in turbomachines of axial and radial types. In axial compressors, RI typically occurs in the vicinity of the stability line. Without occurrence of RI, high efficiencies would be achieved there. The emergence of RI is accompanied by an increase in acoustic emissions, a decrease in efficiency and high amplitude pressure fluctuations, which feature a characteristic structure. Under unfavorable conditions these pressure fluctuations may cause blade vibrations and lead to mechanical failure due to high cycle fatigue. In order to prevent inception of RI and thus to utilise the high efficiencies of the compressor system, detailed knowledge of the flow phenomenon is necessary. A large number of descriptions and interpretations of RI characteristics are found in literature. In order to support understanding of the particular phenomenon, the flow within an annular compressor cascade featuring the RI is modelled by computational fluid dynamics (CFD). Subsequently, data from the CFD is analysed with respect to known characteristics of RI. In this regard, a large-scale turbulence resolving simulation is employed to model the most relevant turbulent fluctuations within the flow. Additionally, a numerical scheme is employed, allowing the accurate prediction of both fluid dynamic and acoustic fluctuations. Further, the full annulus of the compressor stator cascade is modelled in CFD to ensure unaffected reproduction of the characteristic circumferential structure of the RI phenomenon. In a second step, findings from the CFD are transferred to a model configuration. The model derived simulates the velocity fluctuations within the source region related to RI, whereas the dynamics develop freely from a given initial configuration. The model basically employs potential theory methodologies. After a brief introduction to theoretical aspects of axial compressor systems and flow phenomena occurring therein the fundamentals of CFD are described. Details of application of CFD to the flow through the annular compressor cascade are followed by validation of RI occurrence within the flow simulation. A hypothesis on the originating mechanism of the characteristic pressure fluctuations of RI is then formulated based on detailed analyses of simulation data. The identified flow configuration is modelled by fundamental solutions from potential theory. From the temporal integration of the modelled flow states a fluid flow dynamic develops, which is very similar to that related to RI. Pressure and velocity fluctuations calculated by the model fulfil all criteria typically applied to measured or simulated data in order to detect occurrence of RI. In this way, the hypothesis on the causing mechanism of pressure fluctuations characteristic to RI is proved and thus provides another keystone for understanding the complex flow phenomenon of rotating instability.
Die vorliegende Arbeit behandelt das Strömungssphänomen der Rotierenden Instabilität (RI), welches sowohl in axialen als auch radialen Turbomaschinen auftritt. In axialen Verdichtern geschieht dies zum Beispiel in der Nähe der Stabilitätsgrenze, wo ohne das Auftreten der RI üblicherweise hohe Wirkungsgrade des Gesamtverdichtersystems erzielt werden. Die Auswirkungen der RI sind erhöhte Lärmemissionen, ein Einbruch des Wirkungsgrads und starke Druckschwankungen, welche eine charakteristische Struktur aufweisen. Die Druckschwankungen können unter ungünstigen Umständen Schaufelschwingungen anregen und gegebenenfalls so zu mechanischem Versagen einzelner Schaufeln führen. Um das Auftreten der RI zu vermeiden und so höhere Wirkungsgrade des Verdichtersystems zu ermöglichen, ist eine genaue Kenntnis des Phänomens erforderlich. In der Literatur existieren eine Vielzahl von Beschreibungen der Eigenschaften der RI und unterschiedliche Erklärungsansätze. Um das Strömungsphänomen der RI besser zu verstehen, wird der Strömungszustand in einem Axialverdichterstatorgitter bei auftretender RI mit einer numerischen Strömungssimulation nachgebildet, um anschließend die berechneten Daten hinsichtlich der Eigenschaften der RI auszuwerten. Hierzu wird eine Grobstruktursimulation eingesetzt, die es erlaubt den maßgeblichen Teil der turbulenten Schwankungsbewegungen in der Strömung aufzulösen. Zusätzlich wird ein numerisches Schema verwendet, welches neben der Berechnung der strömungsmechanischen Schwankungen auch die Ausbreitung von akustischen Druckschwankungen abbildet. Zudem wird der volle Umfang des Verdichterstatorgitters in der Simulation modelliert, um die charakteristische Umfangsstruktur der RI störungsfrei abzubilden. In einem zweiten Schritt werden die Erkenntnisse aus der Strömungssimulation auf eine Modellkonfiguration übertragen. In dem abgeleiteten Modell wird die Dynamik der Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich des Quellgebiets der charakteristischen Druckschwankungen bei auftretender RI nachgebildet, wobei diese sich frei aus der gegebenen Konfiguration entwickeln. Dabei wird auf Methoden der Potentialtheorie zurückgegriffen. Nach einer kurzen Einführung in die theoretischen Grundlagen der Axialverdichtersysteme und darin auftretenden Strömungsphänomene werden die Grundlagen der numerischen Strömungssimulation dargestellt. Die Beschreibung der Einzelheiten der Anwendung der Simulationsmethodik auf die Strömung durch das stehende Verdichterringgitter wird gefolgt von einer Validierung des Auftretens der RI anhand von Messdaten. Eine anschließender detailierte Auswertung der Strömungsdaten erlaubt die Formulierung einer Hypothese zum Entstehungsmechanimsus der charakteristischen Druckschwankungen der RI. Die identifizierte Strömungskonfiguration wird in einem Modell aus potentialtheoretischen Fundamentallösungen nachgebildet. Aus der zeitlichen Integration der Strömungszustände im Modell entwickelt sich eine der RI sehr ähnliche Dynamik. Die dadurch erzeugten Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen erfüllen alle Kriterien, die im ersten Teil herangezogen wurden, um die RI anhand von Mess- und den berechneten Simulationsdaten zu detektieren. Auf diese Weise kann die dem Modell zugrundeliegende Hypothese zum Entstehungsmechanismus der charakteristischen Druckschwankungen der RI bestätigt werden und liefert einen weiteren Baustein zum Verständnis des komplexen Strömungsphänomens der Rotierenden Instabilität.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5549
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5178
Exam Date: 9-Nov-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Jun-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): rotating instability
CFD
axial compressor cascade
aeroacoustics
modelling
rotierende Instabilität
numerische Strömungsmechanik
Axialverdichterstator
Strömungsakustik
Modellierung
Sponsor/Funder: DFG, Th 288/34-1, Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Notes: zugleich gedruckt erschienen unter ISBN 978-3-7418-0532-5
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
van_rennings_ruben.pdf7.66 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.