 | Häberle J. Untersuchungen zum externen und internen Strömungsfeld eines Scramjet-Triebwerkseinlaufs bei unterschiedlichen Betriebspunkten / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Abteilung Windkanäle, Köln. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2009. - 191 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 09-14) - ISSN 1434-8454
|
Vorwort ......................................................... 3
Inhaltsverzeichnis .............................................. 5
Symbolverzeichnis ............................................... 9
Kurzfassung .................................................... 17
Abstract ....................................................... 19
1 Einleitung .................................................. 21
1.1 Problemstellung ........................................ 21
1.2 Stand der Technik ...................................... 23
1.2.1 Russische Projekte .............................. 23
1.2.2 Hy-Shot Programm (Australien) ................... 24
1.2.3 Hyper-X Programm der NASA (USA) ................. 25
1.2.4 X-51 Programm (USA) ............................. 26
1.2.5 JAPHAR Projekt (Deutschland-Frankreich) ......... 26
1.3 Das Graduiertenkolleg .................................. 27
1.3.1 Zielsetzung und Methodik der eigenen Arbeit ..... 28
1.3.2 Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten ........ 29
2 Das Scramjet Triebwerk ...................................... 30
2.1 Die Aerodynamik des Einlaufs / Vorauslegung ............ 31
2.1.1 Reibungsfreie Strömung .......................... 31
2.1.2 Grenzschichtströmungen .......................... 32
2.1.3 Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung ................ 35
2.1.4 Stoß-Stoß Interaktion ........................... 38
2.1.5 Eckenströmung ................................... 38
2.2 Auslegungsmethoden und -kriterien für den Einlauf ...... 39
2.2.1 Charakteristiken-Verfahren nach B.H. Anderson ... 39
2.2.2 Startverhalten des Einlaufes (Kantrowitz-
Kriterium) ...................................... 41
2.2.3 Funktionsweise des Isolators .................... 43
3 Versuchsanlage und Messtechnik .............................. 45
3.1 Hyperschallwindkanal H2K ............................... 45
3.2 Versuchsaufbau und Messdatenerfassung .................. 46
3.3 Koinzidenz Schlierenoptik .............................. 48
3.4 Druckmesstechnik ....................................... 49
3.4.1 Statischer Druck ................................ 49
3.4.2 Pitotdruckmessung und Ableitung der Machzahl .... 51
3.4.3 Fehlerbetrachtung für die Druckmessung und
die berechnete Machzahl ......................... 51
3.5 Messungen mit Hilfe der Drossel ........................ 52
3.5.1 Bestimmung des Massendurchsatzes ................ 52
3.5.2 Bestimmung des Totaldruckverhältnisses π ........ 56
3.5.3 Wirkungsgrad der kinetischen Energie ηke ........ 58
3.5.4 Fehlerbetrachtung zur Messungen mit der
Drossel ......................................... 59
3.6 Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten
mittels IR-Thermographie ............................... 59
3.6.1 Die Infrarotkamera .............................. 60
3.6.2 Physik der optischen Temperaturmessung .......... 61
3.6.3 Kalibrierung am schwarzen Strahler und
Korrektur ....................................... 62
3.6.4 Auswerteverfahren mittels 1 D-
Wärmeleitungsgleichung .......................... 65
3.6.4.1 Mathematische Grundlagen ............... 65
3.6.4.2 Materialparameter von PEEK ............. 69
3.6.5 Plausibilität der ermittelten Stantonzahl ....... 70
3.6.5.1 Fehlerbetrachtung ...................... 70
3.6.5.2 Analytische Lösungen für die
ID-Wärmeleitungsgleichung .............. 72
3.6.5.3 Abschätzen der 3D-Einflüsse ............ 73
4 Untersuchungen am Mach 6 Einlauf ............................ 77
4.1 Modifiziertes Einlaufmodell SCR-02 ..................... 77
4.2 Parameter der Windkanalströmung und
Versuchsmatrix ......................................... 78
4.3 Diskussion der Ergebnisse des SCR-02 Einlaufs .......... 80
4.3.1 Experimentelle Ergebnisse ohne
aufgeprägten Gegendruck für die
Konfiguration ohne/mit Absaugung ................ 80
4.3.1.1 Druckverteilung und
Schattenaufnahmen ...................... 80
4.3.1.2 Verteilung der aerothermodynamischen
Belastung .............................. 84
4.3.2 Vergleich von Experimenten und numerischen
Berechnungen .................................... 85
4.3.3 Experimentelle Ergebnisse mit aufgeprägtem
Gegendruck für die Konfiguration mit
Absaugung ....................................... 87
4.3.3.1 Pitotdruckmessungen und
Schattenaufnahmen ...................... 88
4.3.3.2 Verteilung der aerothermodynamischen
Belastung .............................. 90
5 Untersuchungen am Mach 7,5 Einlauf .......................... 95
5.1 Beschreibung des Windkanalmodells ...................... 95
5.1.1 Auslegungskriterien ............................. 95
5.1.2 Sensorik ........................................ 98
5.2 Parameter der Windkanalströmung und Versuchsmatrix ..... 99
5.3 Diskussion der Ergebnisse des 2D-Einlaufs ............. 101
5.3.1 Rampenströmung ................................. 101
5.3.2 Innenströmung ohne aufgeprägten
Gegendruck für die Konfiguration ohne/mit
Absaugung ...................................... 104
5.3.2.1 Druckverteilung und
Schattenaufnahmen ..................... 104
5.3.2.2 Verteilung der aerothermodynamischen
Belastung ............................. 112
5.3.2.3 Vergleich von Experimenten und
numerischen Berechnungen .............. 114
5.3.3 Innenströmung mit aufgeprägtem Gegendruck
für die Konfiguration ohne Absaugung ........... 116
5.3.3.1 Druckverteilung und
Schattenaufnahmen ..................... 117
5.3.3.2 Verteilung der aerothermodynamischen
Belastung ............................. 121
5.3.4 Innenströmung bei verschiedenen
Anstellwinkeln und Betriebszuständen für
die Konfiguration ohne Absaugung ............... 123
5.4 Diskussion der Ergebnisse mit diversen
Innenkompressionen .................................... 129
5.4.1 Reduktion der Breite von B = 100mm auf B =
80mm ........................................... 130
5.4.2 Reduktion der Breite von B = 100mm auf B =
70mm ........................................... 133
5.4.3 Vergleich der drei Einlaufkonfigurationen
ohne Absaugung und ohne aufgeprägten
Gegendruck ..................................... 135
6 Weiterführende aerothermodynamische Untersuchungen ......... 138
6.1 3D-Auswertung der Oberflächentemperaturmessung ........ 138
6.1.1 Das ANSYS Modell ............................... 138
6.1.2 Diskussion der 3D-Auswertung ................... 142
6.2 Extrapolation auf realistischere
Wandtemperaturverhältnisse ............................ 145
6.2.1 Ansatz von Deissler und Loeffler ............... 147
6.2.2 Auswertung der Variation der Stantonzahl
über die Versuchszeit .......................... 149
7 Zusammenfassung ............................................ 156
7.1 Ergebnisse der vorliegenden Arbeit .................... 156
7.2 Ausblick und Empfehlungen für weiterführende
Arbeiten .............................................. 158
8 Literaturverzeichnis ....................................... 160
Anhang
A Finite-Element Modellierung ANSYS ....................... 169
B Fehlerbetrachtung ....................................... 171
C Geometrie des SCR-02 Modells ............................ 177
D Versuchsmatrix der SCR-02 Messkampagne .................. 180
E Geometrie des GK-01 Modells ............................. 182
F Versuchsmatrix der GK-01 Messkampagne ................... 186
|
|
