Modellierung der Treibstrahl-Wechselwirkung von Kleintriebwerken unter Hochvakuumbedingungen

Kurzfassung

Zwei identische, wechselwirkende Stickstoff-Treibstrahlen aus parallel angeordneten Kaltgastriebwerken werden in dieser Arbeit numerisch nachgebildet und Wechselwirkungsphänomene stromab und stromauf der Düsenaustrittsebene in ihrer Abhängigkeit vom Düsenabstand analysiert. Die Reynolds-Zahl am Düsenhals ist etwa 15000. Der näherungsweise isentrope Strahlkern wird hier mit dem Navier-Stokes-Löser TAU des DLR berechnet. Strömungsfeldgrößen entlang einer geeigneten Schnittstelle geben die Randbedingungen für ein Direct­Simulation Monte-Carlo-(DSMC)-Verfahren zur Berechnung der Strahlexpansion vor. Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem gemessene und berechnete Massefluss-Profile verglichen werden können. Die hier berechneten Masseflüsse stimmen überwiegend gut mit vorhandenen Messungen überein. Durch Markierung der DSMC-Partikelnach ihrem Ursprung kann das wechselseitige Eindringen der Strahlen detailliert untersucht werden. Es wird gezeigt, dass die Streuung stark verdünnter Strömung eines Strahls am dichten Kern des jeweiligen Nachbarstrahls die Ursache für die zuvor beobachtete zusätzliche Rückströmung ist. Die so entstehende Verstärkung der Rückströmung kann aus dem Strömungsfeld eines einzelnen, ungestört expandierenden Strahls ermittelt werden.