Drallgrenzschicht und Strömungsablösung in koaxial rotierenden Diffusoren und Düsen

Der Übergang von einem stehenden Kreisrohr zu einem koaxial rotierenden Diffusor bzw. einer koaxial rotierenden Düse ist ein in der Technik häufig auftretende Situation. Dabei sind die wandnahen Transportvorgänge für Impuls, Energie und Stoff in der Nähe des Übergangs vom stehenden in den rotierenden Teil von besonderem Interesse: Kommt es zur Strömungsablösung an der Wand, steigt der Strömungswiderstand in axialer Richtung. Mit der Strömungsablösung einher steigt der Widerstand für Wärme- und Stofftransport normal zur Wand. Bei Turbomaschinen ist der Übergang vom stehenden Kreisrohr zu einem koaxial rotierenden Diffusor bzw. einer koaxial rotierenden Düse stromauf des Schaufelgitters gegeben. Hier ist es von hohem Interesse, die Strömungsablösung an der Wand bei starker Teillast zu verstehen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Zentrifugalkraft auf den axialen Impuls bzw. die axiale Grenzschicht im Eintrittsbereich von koaxial rotierenden Diffusoren und Düsen untersucht. Die Zentrifugalkraft ist abhängig von dem eingebrachten Drall und kann Strömungsablösung an der Wand verursachen. Der Drall wird durch die Drallgrenzschichtdicke und dem dazugehörigen Umfangsgeschwindigkeitsprofil quantifiziert. Mit Hilfe der Integralmethode der Grenzschichttheorie und experimentellen Untersuchungen (Laser-Doppler-Anemometrie) wird die komplexe Strömungssituation erforscht. Dabei wird die Reynoldszahl, Durchflusszahl, relative Oberflächenrauheit sowie der Öffnungswinkel variiert. Überraschender Weise kann die axiale Grenzschicht in einem rotierenden Diffusor dünner als in einer rotierenden Düse bei betragsmäßig ähnlichen Öffnungswinkeln sein. Folglich beginnt die Strömungsablösung in einer rotierenden Düse bei einer größeren Durchflusszahl als in einem rotierendem Diffusor.