Numerisch gekoppelte Simulation segmentierter Brennkammerkonfigurationen mit neuartigen Kühlkonzepten (Masterarbeit)

Kurzfassung

Der Einsatz neuartiger Kühlmethoden wie der Transpirationskühlung eröffnet neue Möglichkeiten, die Effizienz zukünftiger Generationen von Raketensystemen zu steigern. Dabei zeigen insbesondere poröse keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC) in Studien vielversprechende Eigenschaften. In dieser Arbeit wird das Potential dieser aktiven Kühlmethode anhand einer numerischen Untersuchung im Rahmen des SFB-TRR 40 aufgezeigt. Der virtuelle Full-Scale Schubdemonstrator TCD2 wird im ursprünglichen Konzept vollständig regenerativ gekühlt. Um die Effekte eines transpiratiiv gekühlten Düsenbereichs hinsichtlich der Kühleffektivität und des Druckverlusts der Kühlmittelströmung aufzuzeigen, wird ein Teil der Wand mit CMC ersetzt. Ein bereits bestehendes, quasi-zweidimensionales Rechensetup wird um eine Fremdgastranspiration mit Wasserstoff erweitert. Die Modellierung der Mehrkomponentenströmung und der Vermischungsprozesse werden mit dem Strömungslöser ANSYS® CFX 17.2 durch eine inkrementelle Injektion des Wasserstoffs durchgeführt. Um die komplexen Vorgänge in einer turbulenten Mehrkomponentenströmung durch die konvergent-divergente Düse besser beurteilen zu können, wird insbesondere die Kühleffektivität des Kühlfilms untersucht. Korrelation aus der Literatur zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsdaten. Die Fremdgastranspiration mit kryogenem Wasserstoff führt zu einer deutlichen Reduktion des Wärmestroms in die Wand. Deswegen wird eine Parameterstudie mit Verringerung der Permeabilität des verwendeten kohlenstoffverstärkten Kohlenstoffs (C/C) durchgeführt. Dabei variieren die Verhältnisse der Massenstromdichte vom injizierten Kühlfluid zur Hauptströmung zwischen 0,16 % und 0,49 %. Der starke Druckabfall der beschleunigten Strömung in der Düse führt bei gleichem Eingangsdruck zu lokal unterschiedlichen Massenströmen und somit zu unnötig überkühlten Wandbereichen. Eine Variation der Permeabilität durch eine Segmentierung der porösen Wand soll die Kühlung optimieren und gleichzeitig die vermehrte Kühlung bauteilkritischer Bereiche ermöglichen. In dieser Arbeit wird das numerische Modell zur beliebigen Segmentierung der Wand vorgestellt und anhand eines Referenzfalls validiert. Eine Beispielkonfiguration mit vier Segmenten bestätigt die prinzipielle Steuerbarkeit des Kühlmechanismus. Die Ergebnisse der Fremdgastranspiration werden mit der ursprünglichen Regenerativkühlung und der Heißgastranspirationskühlung verglichen. Die Transpirationskühlung führt zur Reduktion des Drucks in den Kühlkanälen um 14,7 %. Durch die Verwendung von Wasserstoff sinken sowohl in der porösen als auch in der festen Wand die Temperaturen unterhalb die Belastungsgrenzen. Der Bedarf an Wasserstoff für die Kühlung ist geringer.