SFB-TR 40

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Home Die Teilbereiche TB B: Heckströmungen

TB B: Heckströmungen


Teilprojekt B1: Experimentelle Analyse der Wechselwirkung zwischen heißer Düsenströmung und Transschallströmung

Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik

Projektleitung

Gülhan, Ali, Dr.-Ing.,
DLR, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Abteilung Über- und Hyperschalltechnologie
Linder Höhe 51170 Köln
Telefon: 02203 601 2363,
Fax: 02203 601 2085
E-Mail:  Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können.

Zusammenfassung

Nach dem im vorangegangenen Antrag die Analyse der Wechselwirkungen zwischen der Außenströmung und des Nachlaufs bzw. der Düsenströmung im Heck von Trägerraketen im Hyperschall im Vordergrund stand, zielt der Folgeantrag insbesondere auf die Wechselwirkung zwischen heißer Düsenströmung und Trans¬schallströmung. Ergänzend soll dies nach der bereits erfolgreich erreichten Beeinflussung der Strömung durch passive Methoden im Hinblick auf aktive Kontrolle ausgebaut werden. Dazu erfolgen Untersuchungen in zwei Windkanalanlagen des DLR in Köln im Machzahlbereich von 0,7 bis 3: Durch die hohe Qualität ihrer Anströmung bietet sich die geschlossene Trisonische Messstrecke Köln (TMK) für Simulationen mit kalt ausgeblasener Düsenströmung an. Demgegenüber eignet sich die Vertikale Freistrahlmessstrecke Köln (VMK) zur Charakterisierung der Wechselwirkung der heißen Düsenströmung an einem skalierten Raketenheckmodell bei realen Temperaturen. Neben der Visualisierung der Nachlaufströmung anhand von Hochgeschwindigkeits-Schlierenbildern soll zur Analyse der beeinflussten Heckströmung eine Vielzahl anspruchsvoller Messtechniken komplementär eingesetzt werden. Die Vermessung der Druckverteilungen bei kalter Düsenströmung wird mittels Pitot-Rechen, eine Messung statischer Drücke durch Sensoren kombiniert mit PSP, die Messung instationärer Drücke mittels Sensoren bzw. Mikrofonen sowie die Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels PIV erfolgen. Zur Bestimmung der Temperaturen bei heißem Düsenstrahl sind erste Messungen mit Emissionsspektroskopie und OH-LIF vorgesehen. In Verbindung mit abgestimmten numerischen Simulationen der Teilprojekte B3 bzw. B5 werden diese modernen Mess- und Analyseverfahren wesentlich zum besseren Verständnis der Wechselwirkung der heißen Düsenströmung mit der Transschallströmung und deren Kontrolle mit passiven bzw. aktiven Methoden beitragen.


Teilprojekt B3: Berechnung passiv und aktiv beeinflusster turbulenter Scherschichten im Nachlauf stumpfer Körper

Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Numerische Strömungsmechanik

Projektleitung

Schröder, Wolfgang, Univ.-Prof. Dr.-Ing.,
RWTH Aachen
Aerodynamisches Institut
Wüllnerstraße 5a, 52062 Aachen
Telefon: 0241-8095410
Fax: 0241-8092257
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Meinke, Matthias , Dr.-Ing.,
RWTH Aachen
Aerodynamisches Institut
Wüllnerstraße 5a, 52062 Aachen
Telefon: 0241-8095328,
Fax:  0241-8092257
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Zusammenfassung

Das geringe Druckniveau im Heckbereich einer Rakete besitzt einen hohen Anteil an dem Gesamtwider-stand. Darüber hinaus führen Druck- und Temperaturschwankungen zu thermischen und mechanischen Wechsellasten der Struktur, die im Transschallbereich ein Maximum ausbilden. Nachdem in der ersten Förderperiode das stark zeitabhängige Strömungsfeld im Nachlauf charakterisiert wurde, sollen in der zweiten Phase passive, z. B. statische Längswirbelgeneratoren, und aktive Methoden, z. B. Ausblasung im Heckbereich, untersucht werden, um die Nachlaufströmung zu stabilisieren. Es wird ein gekoppelter, zonaler RANS/LES-Ansatz verwendet, bei dem das globale Strömungsfeld über die Reynoldsgemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) und der lokale Nachlauf mit einer Grobstruktursimulation (LES) bestimmt werden. Als generisches Modell soll zunächst das Strömungsfeld einer zurückspringenden Stufe mit und ohne Jet betrachtet werden. Aufbauend auf den erarbeiteten grundlegenden Erkenntnissen sollen im weiteren Verlauf die effektivsten Methoden am Raketenmodell mit Düsenströmung untersucht werden, um das Ziel einer Reduzierung der Lasten auf die äußere Düsenkontur durch eine kontrollierte Stabilisierung der Heckumströmung zu erreichen.


Teilprojekt B4: Experimentelle Methodik zur Charakterisierung turbulenter Nachläu  fe mit Treibstrahl

Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik, Messtechnik

Projektleitung

Radespiel, Rolf, Prof. Dr.-Ing.,
Institut für Strömungsmechanik
Hermann-Blenk-Str. 37
38108 Braunschweig
Tel.: 0531 391 94251   
Fax: 0531 391 94254
Email. Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können.
Scholz, Peter, Dr.-Ing.,
Institut für Strömungsmechanik
Hermann-Blenk-Str. 37
38108 Braunschweig
Tel. 0531 391 94256   
Fax 0531 391 94254
Email: Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können.

Zusammenfassung

Das Teilprojekt erforscht die aerodynamischen Wechselwirkungen an Raketenhecks mit unterexpandiertem Strahlantrieb und stellt experimentelle Daten zur Validierung numerischer Simulationen bereit. Experimente mit Treibstrahlen aus aufgeheiztem Helium sollen die gasdynamischen Verhältnisse und die turbulente Vermischung eines Raketenantriebs repräsentieren. In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Erfahrungen mit der Particle Image Velocimetry (PIV) im Hyperschall gewonnen und eine Treibstrahlsimulationsanlage nach dem Funktionsprinzip eines geheizten Ludwieg-Rohres konzipiert und in Betrieb genommen. Ferner wurde der Betriebsbereich des Hyperschallwindkanals für Ma=6 durch eine neue Drosseldüse auf Ma=3 erweitert. Die so erweiterte Anlage soll in der Fortsetzungsperiode für den Betrieb mit aufgeheiztem Helium qualifiziert und genutzt werden. Damit sollen erstmalig Validierungsdaten für den Einfluss der Strahlvermischung auf die Nachlaufströmung eines Raketenhecks erzeugt werden, bei denen mit Austrittsgeschwindigkeiten des Antriebsstrahls von über 2500 m/s Werte in der Größenordnung von realen Raketenantrieben erreicht werden. Die PIV soll für hochwertige Strömungsmessungen in Heckströmungen mit variierender Temperatur und Dichte qualifiziert werden. Hierfür sollen die Fehler durch optische Brechung quantifiziert und das Folgeverhalten von Feststoffpartikeln durch optimierte Verfahrenstechnik für stabile De-Agglomeration der Partikel verbessert werden.


Teilprojekt B5: Effiziente Berechnung der transsonischen Heckströmung mit heißem Düsenstrahl

Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik

Projektleitung

Eggers, Thino, Dr.-Ing.,
DLR, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Abteilung Raumfahrzeuge
Lilienthalplatz 7, 38108 Braunschweig
Tel.: 0531 295 2436
Fax: 0531 295 2320
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können.
Hannemann, Klaus, Dr.-Ing.,
DLR, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Abteilung Raumfahrzeuge
Bunsenstraße 10, 37073 Göttingen
Tel.: 0551 709 2477
Fax: 0551 709 2800
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Hannemann, Volker, Dr.rer.nat.,
DLR, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Abteilung Raumfahrzeuge
Bunsenstraße 10, 37073 Göttingen
Tel.: 0551 709 2384
Fax: 0551 709 2800
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Zusammenfassung

In der ersten Förderperiode wurden die experimentellen Untersuchungen im Unterschall (Mach 0.2) und im Hyperschall (Mach 6) numerisch begleitet. Dabei wurden sowohl stationäre Lösungen der gemittelten Gleichungen (RANS) berechnet als auch hybride Ansätze (DES) verfolgt, die nur die wandnahen Bereiche mit einem Turbulenzmodell für die gemittelten Gleichungen berechnen, während im übrigen Strömungsfeld die großskaligen turbulenten Strukturen zeitgenau aufgelöst werden. In der zweiten Förderperiode liegt der Fokus auf den notwendigen Weiterentwicklungen zur Simulation der transsonischen Heckströmung mit heißem Düsenstrahl und dessen Simulation. Es werden ausgewählte Experimente aus dem Teilprojekt B1 mit einem erweiterten Verfahren simuliert und analysiert. Insbesondere bei den Verfahrensansätzen zur zeitaufgelösten Simulationen im Hyperschall zeigte sich in der ersten Förderperiode ein Potential zur Effizienzsteigerung. Eine transsonische Heckströmung kann mit den Methoden, die bei den subsonischen Fällen zum Einsatz kamen, gut aufgelöst werden. Für die Simulation der Wechselwirkung mit dem Überschalldüsenstrahl ist eine Weiterentwicklung erforderlich. Der zentrale Punkt der Weiterentwicklung ist die Kombination des hybriden Ansatzes mit Gasgemischmodellen. Daneben wird die zeitaufgelöste Simulation der gemittelten Gleichungen (URANS) an Hand eines dafür geeigneten Szenarios aus dem Teilprojekt K2 durchgeführt, um auch mit einer Technik, die im Aufwand zwischen RANS Simulation und DES steht, experimentelle Untersuchungen zu unterstützen.


Teilprojekt B6: Charakterisierung und Kontrolle turbulenter Nachlaufströmungen im Transschall mit und ohne Treibstrahlsimulation

Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik, Messtechnik

Projektleitung

Kähler, Christian Joachim , Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil.,
Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik
Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85577 Neubiberg
Tel.:  +49 89 6004-2145
Fax: +49 89 6004-3896
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Zusammenfassung

Teilprojekt B6 (zuvor Teil von B4) erforscht die physikalischen Mechanismen der passiven und aktiven Strömungskontrolle bei der transsonischen Umströmung einer ebenen Platte mit zurückspringender Stufe bzw. Treibstrahlsimulation im Trisonischen Windkanal München (TWM). Dabei stellt die zurückspringende Stufe in vereinfachter Form den Sprung vom zylindrischen Vorkörper zur Düsenkontur im Heckbereich einer realen Trägerrakete dar. Ziel ist es, die dominanten Wirbelstrukturen in der Scherschicht durch geeignete Methoden zu beeinflussen, um die dynamischen Lasten auf die Düse zu reduzieren. Hierfür werden einerseits passive Elemente in Form von Höckern, Furchen und Leitblechen im Heckbereich des Modells integriert und deren Wirkung auf die Nachlaufströmung mit zeitauflösenden Messverfahren (zeitaufgelöste PIV, mehrpuls-PIV, 3D-PTV und PSP) systematisch untersucht. Andererseits sollen aktive Kontrollmöglichkeiten mittels Ausblasen und Absaugen im Detail erforscht werden, um zu ermitteln, ob diese Methoden Vorteile gegenüber den passiven Ansätzen aufweisen. Die Bestimmung der Geometrie von effizienten Störkörpern sowie der Beeinflussungsparameter bei der aktiven Strömungskontrolle erfolgt gemeinsam mit dem TP B3, das TP B6 mittels numerischer Strömungssimulationen unterstützt.