Experimentelle Charakterisierung turbulenter Nachläufe von generischen Raketenmodellen

Kurzfassung der Dissertation „Experimentelle Charakterisierung turbulenter Nachläufe von generischen Raketenmodellen“
In dieser Arbeit wird der Einfluss eines unterexpandierten Treibstrahls auf die turbulente Heckströmung eines generischen Raketenmodells untersucht. Bei der Auslegung von Trägerraketen spielen Strömungsphänomene der Heckströmung eine wichtige Rolle. Besonders kritisch sind dynamische Lasten auf der Heckstruktur. Untersuchungen wurden bei zwei Machzahlen – im Überschall (Ma∞=2,9) und im Hyperschall (Ma∞=5,9) – durchgeführt. Die Strömungstopologie wurde durch Schlierenvisualisierung, Druck- und PIV-Messungen untersucht. Darüber hinaus wurden RANS-Simulationen des Windkanalmodells durchgeführt. Für eine physikalisch basierte Untersuchung von Heckströmungen ist es notwendig zwei wichtige Mechanismen von Treibstrahlen abzubilden: zum einen die Verdrängungswirkung des Treibstrahls und zum anderen die Einmischung von Fluid in die turbulente Vermischungsschicht zwischen der Strahlglocke und Außenströmung. Diese Mechanismen werden hauptsächlich durch die Strahlparameter, den Grad der Unterexpansion des Treibstrahls und das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Außen- und Strahlglockenströmung beschrieben. Der Treibstrahl kann mit Luft oder Helium als Betriebsgas generiert werden. Die Verwendung von Helium als Treibstrahlgas ergibt den Vorteil, dass durch die geringere Molare Masse von Helium höhere Strahlgeschwindigkeiten und damit Geschwindigkeitsverhältnisse ähnlich wie bei realen Trägerraketen realisiert werden können. Der Grad der Unterexpansion des Treibstrahls ist moderat (pe/p∞≈5) für die Untersuchungen im Überschall und hoch (pe/p∞≈90) für die Untersuchungen im Hyperschall. Die instationäre Heckströmung wird mit Hilfe von spektralen Analysen instationärer Druckmessungen beschrieben. Die Untersuchungen auf der Heckfläche ergaben eine dominante Frequenz bei der Strouhalzahl SrD≈0,25. Diese Frequenz deutet auf die gut bekannte Wirbelablösefrequenz („shedding“) hin. Die dominanten Spitzen für Strouhalzahlen SrD<1 sind den aus der Literatur bekannten Phänomenen, der Pumpbewegung des Rezirkulationsgebietes, einer Schwingung der Scherschicht und einer radial schlagenden Bewegung der Scherschicht, zuzuordnen. Der Einfluss des stark unterexpandierten Treibstrahls bei den Hyperschalluntersuchungen zeigt sich deutlich in den Spektren. Mit dem Lufttreibstrahl steigt das Fluktuationsniveau ab einer Strouhalzahl von SrD>0,75 sehr stark an. Dieser Anstieg des Fluktuationsniveaus ist hingegen bei dem Heliumtreibstrahl nicht zu beobachten. Jedoch kommt es hier zu mehreren stark ausgeprägten Spitzen bei höheren Frequenzen. Die Spitzen bei höheren Frequenzen deuten auf eine hochfrequente Bewegung der Scherschicht hin. Vergleicht man die PIV-Messungen, so wird der Einfluss des Treibstrahls zum Ende der Düse besonders sichtbar. Durch einen Lufttreibstrahl verringern sich die Reynoldsspannungen am Ende der Düse, was auf eine Stabilisierung der Strömung hindeutet. Durch den Einfluss des beheizten Heliumtreibstrahls vergrößert sich der Bereich mit erhöhter Reynoldsspannung und reicht bis in die Vermischungsschicht zwischen Treibstrahl und Außenströmung. Die Ergebnisse zeigen, dass zur physikalisch basierten Untersuchung von Heckströmungen die Simulation der Verdrängungswirkung des Treibstrahls und der Einmischung von Fluid in die turbulente Vermischungsschicht wichtig ist. Der unterexpandierte Treibstrahl und der Grad der Unterexpansion haben einen großen Einfluss auf die Topologie der mittleren Heckströmung. Die Variation der Treibstrahlgeschwindigkeit hat einen Einfluss auf die dominanten Frequenzen der Druckfluktuationen im Heckbereich. Insbesondere die Ergebnisse der Reynoldsspannung zeigen die Notwendigkeit der realistischen Strahlsimulation im Hinblick auf die Untersuchung der instationären Heckströmung.