Embedded LES methods for turbomachinery flows

Borgelt, Jannik; Kowalski, Julia; Schröder, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2026-09335

Embedded LES methods for turbomachinery flows = Eingebettete LES Methoden für Strömungen in Turbomaschinen

Borgelt, Jannik^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jannik Borgelt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Kowalski, Julia (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-09-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-09335
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1042372/files/1042372.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
embedded LES (frei) ; rim seal flows (frei) ; zonal RANS/LES (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Vollkranz-förmigen Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer eingebetteten LES-Methode für Strömungen in Turbomaschinen. Im industriellen Konstruktionsprozess von Turbomaschinenanwendungen werden häufig Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Methoden (RANS) verwendet, für die die genaue Vorhersage der Strömungsdynamik im Stator-Rotor-Ringdichtungsspalt von Axialturbinen nach wie vor eine Herausforderung darstellt. RANS-Modelle bieten Recheneffizienz und Robustheit für industrielle Anwendungen, haben jedoch oft Schwierigkeiten, die komplexen, multimodalen Eindringmechanismen und die stark instationäre Scherschichtdynamik zu erfassen, die für die Dichtungsspaltströmungen im Stator-Rotor-Spalt von Axialturbinen charakteristisch sind. Large-Eddy-Simulationen (LES) bieten eine höhere Genauigkeit bei der Turbulenzmodellierung mit deutlich verbesserten Vorhersagemöglichkeiten, sind jedoch nach wie vor rechnerisch unerschwinglich, insbesondere bei Vollkranzkonfigurationen, wenn großskalige azimutale Wirbelstrukturen, die für das Eindringverhalten entscheidend sind, aufgelöst werden müssen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode zielt darauf ab, die Lücke zwischen den aktuellen Rechenkapazitäten und dem routinemäßigen Einsatz von LES im industriellen Konstruktionsprozess zu schließen. Die eingebettete LES-Methode verwendet a priori definierte RANS- und LES-Bereiche, wobei eine vorläufige RANS-Lösung Anfangsbedingungen und physikalisch konsistente Randbedingungen für einen reduzierten LES-Bereich liefert. Die Informationen werden von der stationären RANS-Lösung an den eingebetteten, zeitaufgelösten LES-Bereich weitergegeben, wodurch die LES auf einen vordefinierten Bereich von Interesse beschränkt wird und gleichzeitig der Gesamtrechenaufwand und die Konvergenzzeit reduziert werden. Die Anforderungen an die eingebetteten LES-Randbedingungen hängen vom jeweiligen Strömungsfall ab. Die Formulierung und Bewertung von Randbedingungen für die eingebettete LES für Strömungen in Turbomaschinen stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Der Ansatz ist speziell auf die Integration in den industriellen Konstruktionsprozess von Turbomaschinenanwendungen ausgelegt, wo RANS-Simulationen nach wie vor Standard sind. Die eingebettete LES fungiert somit als lokalisierte, hochpräzise Erweiterung der RANS-Lösung und ermöglicht eine detaillierte, zeitaufgelöste Analyse spezifischer Strömungsbereiche, ohne dass eine LES für den gesamten Bereich erforderlich ist. Die Methode wurde zunächst für eine generische, nach hinten gekrümmte Stufengeometrie entwickelt und evaluiert, die die charakteristischen Strömungsbedingungennachbilden soll, die an den eingebetteten LES-Schnittstellen in axialen Turbomaschinenanwendungen zu erwarten sind, wobei der LES-Bereich auf den Ablösungsbereich reduziert ist. Die entwickelten Randbedingungen für die eingebettete LES wurden an-schließend für axiale Turbomaschinenströmungen angepasst und für die Vorhersage des Heißgaseintritts in Stator-Rotor-Radseitenräume sowohl in linearen als auch in gekrümmten Axialturbinenkaskaden validiert. Die eingebettete LES-Methode wurde verwendet, um den LES-Bereich auf den Ringdichtungsspalt zu reduzieren. Schließlich wird eine Kopplungsstrategie vorgestellt, die den Informationsaustausch zwischen vorläufigen sektoralen RANS-Simulationen und einer 360◦ Vollkranzförmigen eingebetteten LES ermöglicht, und für die gekrümmte Turbinenkonfiguration validiert. Die Vollkranz-Lösung wird mit den Sektor-Lösungen verglichen, um die Auswirkungen der Annahme azimutaler Periodizität auf die Kühleffektivität zu analysieren.

The objective of this thesis is the development of an embedded LES method for turbomachinery flow. In the industrial design process of turbomachinery applications Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) methods are commonly used, for which the accurate prediction of rim seal gap flow dynamics remains challenging. RANS models offer computational efficiency and robustness for industrial applications, however, they often struggle to capture the complex, multi-modal ingress mechanisms and strongly unsteady shear-layer dynamics characterizing rim seal flows present in the stator-rotor gap in axial turbines. Large-eddy simulations (LES) provide higher fidelity turbulence modeling with substantially improved predictive capabilities but remain computationally prohibitive, especially for full-annulus configurations, when large-scale azimuthal vortex structures critical to ingress behavior must be resolved. The method presented in this work aims to bridge the gap between current computational capabilities and the routine use of LES in the industrial design process. The embedded LES method employs a priori defined RANS and LES regions, where a preliminary RANS solution provides initial conditions and physically consistent boundary conditions for a reduced LES domain. The information is exchanged from the steady RANS computation to the embedded, time-resolved LES region, thereby limiting the LES to a predefined region of interest while reducing overall computational cost and convergence time. The requirements for the embedded LES boundary conditions depend on the specific flow case. The formulation and assessment of boundary conditions for the embedded LES for turbomachinery flows are the focus of this thesis. The approach is specifically designed to integrate into the industrial design process of turbomachinery applications, where RANS simulations remain standard practice. The embedded LES thus acts as a localized high-fidelity extension of the RANS solution, enabling detailed, time-resolved analysis of specific flow regions without requiring a full-domain LES. The method was first developed and evaluated for a generic curved-backward facing step geometry designed to replicate the characteristic flow conditions expected at the embedded LES interfaces in axial turbomachinery applications, with the LES domain restricted to the separation region. The developed boundary conditions for the embedded LES were subsequently adapted for axial turbomachinery flows and validated for the prediction of hot gas ingress into stator–rotor wheel spaces in both linear and curved axial turbine cascades. The embedded LES method was used to reduce the LES region to the rim seal gap. Finally, a coupling strategy enabling the information exchange of preliminary sectoral RANS simulations with a 360◦ full-annulus embedded LES is proposed and validated for the curved turbine configuration. The full-annulus solution is compared to the sectoral solution to analyze the impact of the assumption of azimuthal periodicity on the cooling effectiveness.

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