Quantifizierung der Gitterkonvergenz für die Strömungs- simulation von Einzelelementen eines porösen Injektors - Quantification of Spatial Convergence in Simulations of Flow of Single Elements of a Porous Injector

Abstract

Das neue Konzept eines porösen Injektorkopfes für Raketentriebwerke wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt und getestet. Um die gemessenen Daten zu analysieren wurden numerische Simulationen der Brennkammerströmung durchgeführt. Da die 3D-Simulation eines Achtels der gesamten Brennkammer eine sehr hohe Genauigkeit erfordert, war es das Ziel dieser Arbeit den Grad der Gitterkonvergenz für dieses Modell zu bestimmen und daraus Maßnahmen zur Optimierung abzuleiten. Die Rechnungen wurden mit der kommerziellen Software ANSYS CFX durchgeführt und die Gittererstellung mit ANSYS ICEM. Für eine quantitative Aussage über den Diskretisierungsfehler wurde der Gitterkonvergnez-Index als Maß verwendet. Als Testfall wurde eine ebene freie Scherschicht zwischen kryogenem Wasserstoff und Sauerstoff bei 60 bar betrachtet und verschiedene Gitter miteinander verglichen. Um die Gitterkonvergenz für das oben beschriebene Modell zu bestimmen wurden aus dem porösen Injektorkopf ein Einzelinjektor aus der Mitte, sowie einer in Wandnähe ausgewählt und separat simuliert. Dadurch konnte bei weiteren Gitterverfeinerungen Rechenleistung eingespart werden. Es zeigte sich vor allem im Bereich der Flamme eine hohe Gitterabhängigkeit der Lösung, während am Ende der Brennkammer bereits eine relativ gute Konvergenz vorliegt.