Auslegung und Simulation eines Kalorimeters für die Messung eines Kaltwandwärmestroms

Kurzfassung

Aufgrund der hohen Fluggeschwindigkeit, der starken Abbremsung durch den Luftwiderstand und die damit verbundene Reibung ist ein Flugkörper beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre hohen Wärmelasten ausgesetzt. Um diesen Wärmelasten standhalten zu können, müssen spezielle Wärmeschutzsysteme entwickelt werden. Solche Wärmeschutzsysteme werden am Boden qualifiziert, indem die Materialien zunächst im Windkanal bei Wiedereintrittsbedingungen getestet werden. Dafür wird eine Hochenthalpieströmung eingesetzt, die die Simulation verschiedener Wiedereintrittsbedingungen ermöglicht. Um die Wärmelasten bewerten zu können, ist die Messung von Kaltwandwärmeströmen notwendig. Das wassergekühlte Kalorimeter misst die Kaltwandwärmeströme über die Temperaturdifferenz des durchströmenden Wassers an dessen Ein- und Auslass. Aufgrund seiner Geometrie und seines Herstellungsverfahrens ist das ursprüngliche Kalorimeter nur für Wärmeströme bis 2 MW/m² einsetzbar. In dieser Arbeit soll es geometrisch weiter entwickelt werden, sodass Wärmeströme bis zu 16 MW/m² messbar sind. Zunächst werden sowohl einige thermo- und fluiddynamische Grundlagen, als auch die Funktionsweise der Numerischen Strömungsmechanik und des Programms ANSYS erklärt. Im Anschluss folgt eine Simulation des vorhandenen Kalorimeters, was dessen Schwachstellen aufzeigt. Auf dieser Grundlage lassen sich neue Geometrien entwickelt, die den Wärmeübergang vom Kalorimeter in das Wasser verbessern sollen, damit die hohen Wärmelasten besser abgeführt werden können. Mit den Ergebnissen der Geometrien erfolgt die Verknüpfung zu einer finalen Geometrie. Es zeigt sich, dass eine Konstruktion mit dünnen und gekrümmten Kühlkanälen die beste Geometrie darstellt. Diese wird daraufhin mit Anpassung der Parameter Massenstrom und Temperaturdifferenz erneut für die Wärmeströme 16 MW/m² und 1 MW/m² simuliert und die entsprechenden Ergebnisse dargestellt. Abschließend folgt der Beleg der numerischen Aussagekraft der Ergebnisse anhand einiger Methoden.