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 (Ma8=2,9) und im Hyperschall (Ma8=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/p8˜5) für die Untersuchungen im Überschall und hoch (pe/p8˜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 SrD1 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 SrD0,75 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. Extended abstract of the dissertation "Experimental characterization of turbulent wake of generic space launcher" In this thesis the influence on the turbulent wake of a generic space launcher model due to the presence of an underexpanded jet is experimentally investigated. Wake flow phenomena represent a significant source of uncertainties in the design of a space launcher. Especially critical are dynamic loads on the structure. The wake flow is investigated at supersonic (M8=2.9) and hypersonic (M8=5.9) flow regimes. The flow topology is described by Schlieren visualization, mean-pressure and PIV measurements. Furthermore RANS simulations of the wind tunnel model are performed. For physics-based jet simulation, two major afterbody ?ow mechanisms are important. One mechanism is ?ow displacement by plume shape. The plume shape affects the positions of the shear layer and the plume shock. It mainly depends on the ratio of nozzle exit pressure to static pressure in the freestream. The second mechanism is ?ow entrainment into the plume. The entrainment describes the effect of the shear layer to entrain gas from the base ?ow. The jet flow is simulated using air and helium as working gases. Due to the lower molar mass of helium higher jet velocities are realized and therefore velocity ratios similar to space launchers can be simulated. The degree of underexpansion of the jet is moderate for the supersonic case (pe/p8˜5) and high for the hypersonic case (pe/p8˜90). Unsteady pressure measurements are performed to describe the dynamic wake flow. The influences of the underexpanded jet with different jet velocities are reported. A peak compared to the wellknown “shedding” at the base near Strouhal number StD˜0.25 was observed. Peaks related to longitudinal pumping, swinging and radial ?apping motion of the shear layer are found, based on published numerical ?ow analysis. In hypersonic flow regime by the present of an air jet the fluctuation level increase on the base for Strouhal numbers above StD˜0.75. On the other hand with helium jet distinct peaks at higher frequencies are found. The peaks at higher frequencies indicate a high-energy motion of the shear layer and is attributed to the interactions between external and jet flow. Comparing the PIV measurements, the jet influence on the mixing area between the external and jet flow clearly appears at the end of the nozzle. The air jet reduces the Reynolds stresses at the end of the nozzle, which indicates a stabilization of the flow. Due to the influence of the heated helium jet, the area with increased Reynolds stresses increases further. Additional this area extends into the mixing layer between the helium jet and the external flow. The results show that, in addition to the displacement effect of the jet plume, the turbulent mixing between the jet plume and the external flow is important for the physically based investigations of base flows. The underexpanded jet and the degree of underexpansion have a major influence on the base flow topology. The variation of the jet velocity has an influence on the dominant frequencies of the pressure fluctuations in the wake area. In particular, the results of the Reynolds stresses show the need for physics based jet simulation in order to investigate the unsteady base flow.