Numerische Simulation des konjugierten Wärmeübergangs in einem mit überkritischem Stickstoff durchströmten Kühlkanal eines Flüssigraketentriebwerks

Abstract

Im Rahmen einer Zusammenarbeit des DLR, der ESA und der Ariane-Group wird das Versagen der Wandstruktur bei zyklischer Belastung von regenerativ gekühlten kryogenen Brennkammern untersucht. Das Ziel der Studie ist es, die hohe thermische und mechanische Belastung zu reduzieren, indem neuartige Materialien verwendet und die Kühlbedingungen verbessert werden. Der Wärmeübergang von der Brennkammerwandstruktur zum Kühlmedium ist hierfür ausschlaggebend. Eine wichtige Einflussgröße ist dabei die maximal auftretende Temperatur in der Struktur. In einer Vorstudie werden die thermischen Eigenschaften einer hochleitfähigen Kupferlegierung durch Kombinationen von Wärme-, Massenströmen und Oberflächentemperaturen am DLR Standort in Lampoldshausen experimentell untersucht. Um Kosten zu reduzieren wird eine thermomechanische Ermüdungsplatte, die einen kleinen Ausschnitt der Geometrie der Brennkammerwand darstellt, verwendet. Heutzutage werden neue Triebwerke hauptsächlich mit numerischen Methoden entwickelt. Für genaue numerische Analysen ist es jedoch wichtig, die zugrunde liegenden Algorithmen mit experimentellen Daten zu validieren. In der vorliegenden Arbeit wird der konjugierte Wärmeübergang mittels einer Fluid-Thermal Analyse in ANSYS modelliert. Unter Berücksichtigung der Messfehler der experimentellen Daten zeigt ein detaillierter Vergleich der numerischen und experimentellen Ergebnisse, dass eine sehr gute Übereinstimmung erzielt wird. Dies ermöglicht es, den Gültigkeitsbereich der experimentellen Daten mittels numerischer Auswertung zu erweitern. Zusätzlich zeigt eine Sensitivitätsanalyse, dass die Wärmestromdichte den größten Einfluss auf die Oberflächentemperatur hat und die Fluidtemperatur am Kanaleingang den Druckverlust am stärksten beeinflusst. Für die Charakterisierung des Wärmeübergangs an der Kanalwand werden einige Nusseltkorrelationen aus der Literatur verwendet. Dabei zeigen, je nach Oberflächentemperatur, unterschiedliche Nusseltkorrelationen gute Übereinstimmungen mit der experimentellen Nusseltzahl. Aus diesem Grund wird für das Wärmeübergangsproblem eine Nusseltkorrelation für rechteckige Kanäle, welche mit überkritischem Stickstoff durchströmt werden, bestimmt.