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At a low mass ratio of structure to air, the work-per-cycle approach, or better known as the energy method, will lead to non-conservative results as aerodynamic coupling of modeshapes acts destabilizing. Using the p-k method to solve the aeroelastic stability equation, the effects of various structural aspects are investigated for a two-dimensional compressor cascade in subsonic and transonic flow conditions. The investigated key parameters are frequency separation, mass ratio and solidity. Furthermore, the effect of a high frequency dependency of the aerodynamic forces is presented. Such phenomena can happen in case of aerodynamic or acoustic resonances. If the resonance peaks are close to the aeroelastic frequency, a discontinuous behavior of the frequency or damping solution can lead to a rapid destabilization of the system, once the aeroelastic frequency moves from one side to the other of the peak. In these regimes, it is crucial to have a high quality representation of the frequency-dependent generalized aerodynamic forces for an accurate prediction of the flutter onset.

Current trends in turbomachinery design significantly reduce the mass ratio of structure to air, making them prone to flutter by aerodynamic coupling between mode shapes, also called coupled-mode flutter. The p-k method, which solves an aeroelastic eigenvalue problem for frequency and damping respectively excitation of the aerodynamically coupled system, was adapted for turbomachinery application using aerodynamic responses computed in the frequency domain. A two-dimensional test case is validated against time-marching fluid-structure coupled simulations for subsonic and transonic conditions. A span of mass ratios is investigated showing that the adapted p-k method is able to predict the transition between aeroelastically stable and unstable cascades depending on the mass ratio. Finally, the p-k method is applied to a low mass ratio fan showing that the flutter-free operating range is significantly reduced when aerodynamic coupling effects are taken into account.

Im Arbeitspaket 1.1 wurden zwei generische und zwei komplexere Testfälle hinsichtlich der Vorhersagequalität von Turbulenzmo-dellen im Kontext von Sekundärströmungseffekten untersucht. Es konnte erfolgreich demonstriert werden, dass sich höherwerti-ge Reynoldsspannungsmodelle für die Simulation von mehrstufigen Verdichtern eignen. Darüber hinaus konnte die Kombination aus Reynoldsspannungsmodell und Transitionsmodell für Verdichterströmungen verifiziert werden. Allerdings musste ebenso geschlussfolgert werden, dass Turbulenzmodelle im RANS-Kontext bei immer komplexer werdenden Testfällen und Strömungssi-tuationen aufgrund ihrer konzeptionellen Schwächen an ihre Vorhersagegrenze stoßen. Im Arbeitspaket 1.2 wurde an insgesamt sieben Testfällen aus dem akademischen und dem industriellen Kontext die Eignung des Programmsystems TRACE zur realitätsgetreuen Vorhersage nicht synchroner Schwingungsphänomene erprobt. Die Ergebnisse waren zufriedenstellend und, sofern Vergleichsdaten vorlagen, in guter Übereinstimmung zu Referenzwerten. Die Turbulenzmodel-lierung erwies sich durchweg als kritischste Komponente mit signifikantem Einfluss auf die untersuchten Strömungsphänomene.

vorgelegt von: Matthias Schuff Zsfassung in engl. Sprache FH Campus Wien, Masterstudiengang Nachhaltigkeit in der Bautechnik, Masterthesis, 2014