Charakterisierung der turbulenten Hyperschallgrenzschicht entlang glatter und rauer Oberflächen

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messungen des Pitot-Drucks in der turbulenten Hyperschallgrenzschicht zweier 7°-Kegelmodelle mit glatter und technisch rauer Oberfläche an jeweils zwei Messpositionen durchgeführt. Zusätzlich wurden Infrarotaufnahmen an denselben Modellen aufgezeichnet. Anhand dieser Messungen wurde der Einfluss der Rauigkeit auf das Geschwindigkeitsprofil und die Änderung des Wandwärmestroms untersucht. Die gemessenen Geschwindigkeitsprofile der rauen Oberfläche zeigen wie erwartet eine Vergrößerung der Grenzschichtdicke und eine Verschiebung zu niedrigeren dimensionslosen Geschwindigkeiten im Vergleich zur glatten Oberfläche. Ein Anstieg des statischen und des Pitot-Drucks entlang der Lauflänge lässt dabei auf einen leichten Druckgradienten schließen. Vergleiche der Geschwindigkeitsverteilungen mit früheren Messreihen zeigen dabei gute Übereinstimmungen. Die äquivalente Sandrauigkeit der Oberfläche wurde zu einem Wert zwischen 0,5÷1 mm bestimmt, woraus ein ks/k = α = 1÷2 resultiert. Dieser Wert ist deutlich geringer als für die vorliegende technische Rauigkeit in der Literatur angegeben. Die aus verschiedenen Versuchen ermittelten Werte schwanken dabei in einem größeren Bereich. Bei rauer Oberfläche sind Erhöhungen der Schubspannung zu beobachten. Auch die gemessenen Wärmeströme an glatter Oberfläche stimmen mit den Ergebnissen vorheriger Messungen überein. Bei rauer Oberfläche tritt eine Erhöhung des Wärmestroms auf. Außerdem wurde eine bereits zuvor gemessene Vergrößerung des Wärmestroms bei steigender Auflösung beobachtet, wobei vermutet wird, dass diese bei weiterer Erhöhung der Auflösung konvergiert. Sowohl die Änderung der Schubspannung als auch des Wärmestroms sind insgesamt größer als es theoretische Korrelationen für die bestimmte Rauigkeits-Reynoldszahl vorhersagen.