Ein Diffusor ist ein Übergangsstück, das den Querschnitt erweitert, um die Geschwindigkeit zu senken und statischen Druck zu gewinnen. Er tritt an Austritten von Ventilatoren und Verdichtern, in Windkanälen, in Lüftungskanälen und in Saugrohren auf.
Er sieht einfach aus; weil er unter einem ungünstigen Druckgradienten arbeitet, ist er eine der schwierigsten Geometrien für CFD.
Es gibt einen optimalen Winkel
Ist der Winkel klein: Es gibt keine Ablösung, aber der Diffusor wird lang, die Reibungsverluste summieren sich und er braucht Bauraum.
Ist der Winkel groß: Die Grenzschicht hält dem ungünstigen Druckgradienten nicht stand und löst ab. Die abgelöste Strömung versperrt einen Teil des Querschnitts, das wirksame Erweiterungsverhältnis sinkt, und der Druckrückgewinn nimmt ab.
Dazwischen liegt, in einem schmalen Band, ein Optimum. Die Diffusorauslegung ist deshalb ein Kompromiss, keine Maximierung.
Die Eintrittsbedingung zählt so viel wie der Winkel
Derselbe Diffusor verhält sich je nach Geschwindigkeitsprofil am Eintritt völlig anders. Eine gestörte, drallbehaftete Strömung, die direkt aus einem Krümmer oder einem Ventilator kommt, löst die Ablösung weit früher aus. Siehe die Notiz zur Sekundärströmung.
Die Diffusorwirkungsgrade aus dem Katalog werden mit gleichförmigem Eintritt gemessen; der in einer realen Anlage erreichte Wert liegt fast immer darunter.
Eine Warnung zur Modellierung
Das Turbulenzmodell entscheidet darüber, wo die Ablösung stattfindet, und der Diffusor ist das empfindlichste Beispiel dafür: Das eine Modell sieht überhaupt keine Ablösung, das andere beginnt sie früh. Die Ergebnisse können sich im Druckrückgewinn um ein Vielfaches unterscheiden. Siehe die Notiz zur Ablösung.
Eine abgelöste Diffusorströmung ist zudem instabil: Die Ablösung kann von der einen Wand auf die andere umschlagen. Eine stationäre Lösung konvergiert entweder nicht oder erzeugt eine falsche Symmetrie. Siehe die Notiz zur Symmetrie.
Beeinflussungsmethoden
Leitschaufeln, Wirbelgeneratoren oder Absaugung können die Ablösung verzögern. Alle bringen messbare Gewinne, reagieren aber empfindlich auf geometrische Details — und genau dort stiftet die Analyse Nutzen.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362