Development of efficient numerical methods for non-ideal compressible fluid flows in propulsion and power

Numerische Modellierung und Simulation ist bereits von zentraler Bedeutung im industriellen Auslegungsprozess. Die Virtualisierung des gesamten Produktlebenszyklus bedarf zunehmend hochgenauer CFD Simulationen. Gleichzeitig nimmt die Bedeutung von nicht-idealen Gaseffekten in modernen Turbomaschinen zu. Die Entwicklung von numerischen Verfahren zur genauen Vorhersage von Strömungen in solchen Maschinen ist sehr herausfordernd und Thema dieser Arbeit. Neben einem Standard-Lösungsverfahren für generelle Anwendung in nicht-idealen Gasströmungen, wird ein Lösungsverfahren für hochgenaue numerische Experimente einfacher Konfigurationen präsentiert. Die Leistungsfähigkeit dieser Lösungsmethoden wird demonstriert für Nassdampf, ORC und superkritische CO2 Anwendungen. Dies beinhaltet auch die erste skalenauflösende Simulation einer kondensierenden Nassdampfströmung, die experimentelle Ergebnisse besser wiedergeben kann als Standard-Rechenverfahren.Numerical modeling and simulation is central to modern industrial design; virtualization of the whole product life cycle will increasingly require the intensive use of high-fidelity CFD simulations. The relevance of non-ideal gas effects in modern turbomachinery applications increases continuously. The design of computational methods for the accurate prediction of flows in such devices is very involved and subject of this work. Besides a state-of-the-art solution method for general application in non-ideal gas flows, a solution method for highly accurate numerical experiments of simple configurations is presented. The capabilities of these solution methods are demonstrated for wet steam, ORC and supercritical CO2 applications. This includes the first scale resolving computation of condensing wet steam flows, which is demonstrated to reproduce the experimental data much better compared to state-of-the-art computation techniques in this field