Numerisch gekoppelte Simulation einer Brennkammer mit neuartigen Kühlkonzepten (Masterarbeit)

Kurzfassung

Die Transpirationskühlung stellt eine sehr effiziente, aktive Kühlmethode dar und ermöglicht im Falle der Brennkammerkühlung in Verbindung mit faserkeramischen Verbundmaterialien eine Leistungssteigerung zukünftiger Raumtransportsysteme. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein Einsatz der Transpirationskühlung beim zweiten der drei virtuellen Full-Scale Schubkammerdemonstratoren (TCD 2) innerhalb des SFB-TRR 40 numerisch untersucht. Während das ursprüngliche Design eine regenerative Kühlung des gesamten Brennkammerliners aus Kupfer vorsieht, wird hier im konvergenten Düsenbereich eine poröse, transpirationsgekühlte Wand aus kohlenstoffverstärktem Kohlenstoff (C/C) verwendet. Die quasi-zweidimensionalen numerischen Simulationen werden mithilfe des Strömungslösers ANSYS® CFX 17.2 durchgeführt. Auf eine Modellierung der Verbrennungsvorgänge wird in dieser Arbeit verzichtet, sodass der zylindrische Teil der Brennkammer nicht betrachtet wird. Die inerte Heißgasströmung, die überkritische Wasserstoff-Kühlmittelströmung und die durchströmte poröse sowie die feste Wand, werden dabei mithilfe eines externen Kopplungsmechanismus verknüpft, bei dem eine abwechselnde Berechnung der einzelnen Domains mit wechselseitiger Übergabe von Randbedingungen stattfindet. Das gesamte System der Transpirationskühlung kann so adäquat abgebildet werden. Anhand eines vereinfachten numerischen Modells ohne Transpirationskühlung wird die inerte Heißgasströmung zunächst durch einen Vergleich mit der ursprünglichen, reaktiven Strömung validiert, um eine Basis für die nachfolgenden Untersuchungen mit Transpirationskühlung zu schaffen und um einen Vergleich zwischen beiden Kühlmethoden zu ermöglichen. Anschließend wird die Transpirationskühlung beim TCD 2 untersucht. Dabei werden die Auswirkungen eines veränderten volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb des porösen Materials zwischen 1 · 106 W/(m3K) und 5 · 107 W/(m3K), sowie einer veränderten Ausblasrate zwischen 0; 24 % und 1; 30 % analysiert. Das Verhältnis der mittleren heißgasseitigen Stanton-Zahlen St=St0, mit und ohne Transpiration, liegt für die betrachteten Ausblasraten im konvergenten Düsenbereich zwischen 0; 011 und 0; 126. Selbst bei geringen Ausblasraten von 0; 24 % wird bereits eine ausreichende Kühlung der porösen Struktur mit maximalen C/C-Temperaturen von etwa 1900 K erreicht. Der Vergleich beider Kühlmethoden zeigt, dass die mittlere heißgasseitige Wandwärmestromdichte im konvergenten Düsenabschnitt durch die Transpirationskühlung, bei einer Ausblasrate von 0; 33 %, um 93; 2 % gegenüber dem Fall der reinen Regenerativkühlung reduziert wird. Durch die geringeren Druckverluste innerhalb des Kühlsystems, kann beim Einsatz der Transpirationskühlung beim TCD 2 der Druck im Brennstoffversorgungssystem bei gleichem Einspritzdruck um 14; 7 % des Brennkammerdrucks verringert werden. Maßgeblich für den erfolgreichen Einsatz der Transpirationskühlung beim TCD 2 sind die erreichbaren Permeabilitäten der verfügbaren faserkeramischen Materialien.