Numerische Untersuchungen neuer Materialien für die Transpirationskühlung in unterschiedlichen Kopplungskonfigurationen (Masterarbeit)

Abstract

Transpirationskühlung ist eine vielversprechende Kühlmethode für thermisch hochbelastete Strukturen, wie zum Beispiel Raketenbrennkammern. Ziel ist es dabei die Struktur mit einem möglichst geringen Kühlgasmassenstrom effektiv zu kühlen ohne Einbußen im Bereich der Zuverlässigkeit zu haben. Um dies zu ermöglichen ist ein Verständnis für die Vorgänge bei der Transpirationskühlung unabdingbar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Vorauslegung des Versuchsstandes Medium Temperature Facility (MTF) am Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR) der Universität Stuttgart. Der Versuchsstand untersucht die Wirkung und die Interaktion vier aufeinander folgender, transpirationsgekühlter Proben. Die Ausblasrate der Proben ist dabei individuell steuerbar. Die numerische Vorauslegung baut auf einer ersten Messkampagne auf. Bei dieser wurde primär mit einer Variation der Ausblasrate gearbeitet. Im Zuge dieser Auslegung liegt der Hauptfokus auf der Verwendung neuartiger, poröser Materialien. Ziel der Arbeit ist es den Einfluss des Probenmaterials auf die Kühlung zu quantifizieren. Im Zuge der Vorauslegung werden drei Testfälle betrachtet. Die Testfälle decken dabei die Wirkung der neuartigen Materialien, die einer Unterbrechung der Kühlung und die Thematik der gleichmäßigen Kühlung ab. Die numerische Vorauslegung erfolgt mit dem Programm Ansys CFX unter der Verwendung eines Kopplungsansatzes, welcher zwei Rechnungen über den Austausch von Randbedingungen miteinander verbindet. Die Ausführung der Rechnungen wird dabei über einen externen Pythoncode gesteuert. Ausgewählte Ergebnisse werden zusätzlich mit einem anderen Kopplungsansatz, der zur numerischen Vorauslegung der ersten Kampagne genutzt wurde, verglichen. Für die Wirkung der Materialien stellt sich heraus, dass der interne Wärmeübergang zwischen porösem Festkörper und Kühlfluid einen signifikanten Einfluss auf das Temperaturniveau der Proben hat und dieser weiter untersucht werden sollte. Im Bereich der gleichmäßigen Kühlung wird versucht eine homogene Oberflächentemperatur zu erzeugen. Dies gelingt auf zwei Arten. Zum einen durch die Stufung der Ausblasrate und zum anderen durch die Nutzung der Materialeigenschaften. Zuletzt zeigt sich, dass eine Unterbrechung in der Kühlgasströmung zu einer erhöhten thermischen Belastung stromauf und stromab der Unterbrechung führt