TU BRAUNSCHWEIG

 

Im Forschungsgebiet der Hyperschallströmungen werden derzeit drei Themen bearbeitet:

Nasenkappe

Steuerklappe

Instationäre Strömung im HLB

Nasenkappe

Motivation

Die Bestimmung der aerothermodynamischen Lasten und die damit einhergehende Auswahl von Bauweisen und Materialien spielt bei Wiedereintrittsfahrzeugen eine zentrale Rolle. Das Vorgehen bei der Analyse der Lasten ist dabei in hohem Maße durch die Interaktion von Strömung und Struktur gekennzeichnet. Die thermischen und mechanischen Lasten führen bei heißen Strukturbauteilen wie zum Beispiel der Nasenkappe zu Unstetigkeiten im Konturverlauf und zu Veränderungen der Spaltgeometrie. Die Antwort der Strömung auf diese Konturveränderungen ist nicht-linear wegen lokal komplexer Strömungstopologien mit Ablösung, Strahlungseffekten und Hochtemperatureinflüssen. Bei der bisherigen, konventionellen Vorgehensweise werden im ersten Schritt aus einer Strömungsberechnung Wärmeströme und Drücke ermittelt. Im zweiten Schritt werden diese Lasten als Randbedingung für eine Strukturanalyse gesetzt. Diese Vorgehensweise kann nicht erfassen, dass die Lasten wechselseitig voneinander abhängig sind. Um die beschriebenen Phänomene genauer untersuchen zu können, sind gekoppelte Verfahren für Fluid und Struktur erforderlich.

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Aerothermodynamisch übertragener Wärmestrom im Bereich

der Nase

der vorspringenden Stufe

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Vorgehen

Dem Interaktionsprinzip bei den Fluid-Struktur Wechselwirkungsanalysen liegt die Kopplung partitionierter Verfahren zugrunde. Zur numerischen Simulation der Strömung dient der DLR-Code TAU. Die Simulation des Strukturverhaltens erfolgt mittels des kommerziellen FEM-Codes ANSYS. Die Kopplung der beiden Programme erfolgt über die kommerziell verfügbare Kopplungssoftware MpCCI. Die Schnittstelle zwischen den Programmen und MpCCI bilden Ko-Prozessoren. Während über MpCCI die Interpolation zu übertragender Größen wie Wärmeströme, Drücke und Verformungen vom Rechennetz für die Strömung auf das Rechennetz für die Struktur erfolgt, und umgekehrt, steuern die Ko-Prozesse den Datenfluß von und zu den Programmen sowie den Analyseablauf. Die Beiträge des Instituts für Strömungsmechanik zur Berechnungsmethodik betreffen Anwendungen und Verifikationen der Chimera-Technik für Simulationen der Strömung in deformierten Spalten, sowie Erweiterungen und die Verifikation von Kopplungsalgorithmen für zeitgenaue Simulationen. Das entwickelte Verfahren wird darauf validiert. Zu diesem Zweck sind im Verbundprojekt IMENS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Industrie und Hochschulen an einem generischen Nasenkappenmodell mit einem repräsentativen T-Spalt Experimente in den Hyperschallkanälen L3K und H2K des DLR in Köln durchgeführt worden. Nach der Validierung sollen die komplexen lokalen dreidimensionalen Strömungsphänomene, die an heißen Strukturbauteilen wie der Nasenkappe im Bereich von interaktionsbedingten Konturverlaufsdiskontinuitäten entstehen, an einem Demonstrationsmodell unter Berücksichtigung realer Flugbedingungen eingehend untersucht werden.

Steuerklappe

Für den gewichts- und damit kostenoptimierten Entwurf von Wiedereintrittsfahrzeugen ist eine genaue Kenntniss der auftretenden Wärmelasten unerlässlich. Dabei treten an den aerodynamischen Steuerflächen unerwartet hohe Wärmelasten auf, die auf bislang wenig erforschte lokale Grenzschichteffekte zurückzuführen sind. Im Rahmen des Projektes werden Navier-Stokes-Rechnungen an generischen Klappenmodellen durchgeführt, anhand derer diese Effekte möglichst genau beschrieben und quantifiziert werden sollen. Begleitet werden die Rechnungen von Experimenten im kalten Hyperschallkanal des Instituts, wobei die CFD-Rechnungen zur Auslegung der Windkanalmodelle und umgekehrt die Versuchsdaten zur Validierung der Rechnungen herangezogen werden sollen. Die Analyse des Einflusses verschiedener Anströmungs- und Geometrieparameter auf die aerothermischen Effekte anhand einer gut validierten numerischen Methode soll die Wissensbasis für zukünftige Entwürfe von Steuerklappen an Hyperschallfahrzeugen erweitern.

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Die Abbildung zeigt das Ergebnis einer Strömungssimulation um ein generisches Klappenmodell mit einem Navier-Stokes-Verfahren. Dargestellt ist auf der Körperoberfläche der berechnete, dimensionslose Wärmestrom und in der Symmetrieebene die Temperatur des Gases. Für den experimentellen Nachweis der auftretenden Wärmeströme im Hyperschallwindkanal des Instituts (HLB) steht eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera zur Verfügung. Eine effektive Software zur Berechnung des Wärmestromes aus der zeitlichen Entwicklung der Temperaturverteilung an der Modelloberfläche wird zur Zeit entwickelt.

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. M. Estorf


Instationäres Strömungsfeld im HLB

Der Hyperschallkanal Ludwiegrohr Braunschweig (HLB) erlaubt aufgrund seines Arbeitsprinzips und speziell der Verwendung eines Schnellschlussventils einen kostengünstigen und zeitsparenden Messbetrieb. Der Messzeit mit einer zeitlich konstanten Strömung in der Messstrecke geht jedoch ein stark instationärer Anlaufprozess des Strömungsfelds voraus, welcher den Beginn des Messbetriebs verschiebt. Im Rahmen dieses Projektes soll die Dauer des Anlaufprozesses quantitativ ermittelt werden und das generelle Verständnis eines derart komplexen Problems gefördert werden. Darüberhinaus soll geprüft werden, ob der stark instationäre Anlaufprozess mit rasch wechselnden, teils hohen Wärmelasten zu einer solchen Erwärmung eines Windkanalmodells führt, dass das Strömungsfeld um das Modell bis in den Messbetrieb hinein aufgrund der vorhergehenden Erwärmung nachhaltig beeinflusst wird.

Im Rahmen dieses Projekts wird das zeitabhängige Strömungsfeld im HLB numerisch simuliert, wobei die Ventilöffnung realitätsnah modelliert wird. Anhand der resultierenden Strömungsfelder kann der Aufbau des Anlaufprozesses mit der Ausbreitung der Gas- und Stoßfront sowie die Verlagerung der Schalldurchgangslinie abhängig von der Ventilposition anschaulich nachvollzogen werden.

Die folgende Animation
Animation

zeigt als beispielhaftes Ergebnis die berechnete instationäre Dichtegradientenverteilung während des Startprozesses für einen Speicherrohrdruck von 3,25bar.

Die berechneten Strömungsfelder werden als instationäre Zuströmgrößen für die Simulation der Strömung um eine Hyperboloid/Flare Konfiguration verwendet, wobei der CFD-Code um ein Wärmeleitungsverfahren erweitert wird, so dass die Aufheizung der Modelloberfläche infolge der anliegenden Wärmelasten berechnet werden kann.

Die nächste Animation

zeigt die instationäre Dichtegradientenverteilung in der Umgebung der Hyperboloid/Flare Konfiguration. Die aus der HLB Düse einfallenden Verdichtungsstöße führen zu großflächigen Strömungsablösungen entlang der Modelloberfläche. Damit verbunden ist ein zeitlich stark schwankender Wärmstrom, wie in dieser Animation anschaulich zu verfolgen ist.

Anhand dieser Untersuchungen kann der durch schwankende Zuströmgrößen gekennzeichnete Anlaufprozess der Strömung vom Messbetrieb abgegrenzt werden. Anhand von Vergleichen mit Messungen und stationären Simulationen wird ersichtlich, ob die Modellumströmung durch die unregelmäßige Aufheizung über das Ende des Startvorgangs hinaus beeinflusst ist.

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. T. Wolf


  aktualisiert am 14.07.2011
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