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Coupled Simulation of Hypersonic Fluid-Structure Interaction with Plastic Deformation

Martin, Katharina und Daub, Dennis und Esser, Burkard und Gülhan, Ali und Reese, Stefanie (2022) Coupled Simulation of Hypersonic Fluid-Structure Interaction with Plastic Deformation. AIAA Journal, 60 (6), Seiten 3424-3437. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). doi: 10.2514/1.J060561. ISSN 0001-1452.

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Offizielle URL: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J060561

Kurzfassung

Supersonic and hypersonic vehicles experience significant aerothermal loads from the exterior flowfield and/or their propulsion system. Thus, reliable prediction of aerothermal heating is important for the design of such vehicles. However, even modest temperature changes can lead to buckling of mechanically constraint lightweight structures. This deformation changes the flowfield, which can lead to locally amplified heating, which in turn increases deformation and temperature even further. Thus, fluid-structure coupled modeling of such problems is crucial for the reliable prediction of the resulting temperatures. To investigate these phenomena numerically, we conducted a three-dimensional thermomechanical simulation of fluid-structure interaction (FSI) for thermal buckling. It is necessary to use a thermomechanically coupled model because the temperature and deformation distributions across the panel are highly nonlinear and dependent on both the flowfield and the state of the structure. Due to the high temperatures (>1400  K) in the metallic panel and the constrains, which allow no uniform expansion, the stresses exceed the yield stress, and plasticity occurs. A strong two-way coupled FSI simulation was set up and split into a thermal solid, a mechanical solid, and a fluid computation. The simulated temperature and displacement distribution were compared to experiments conducted in the arc-heated wind tunnel L3K at the German Aerospace Center (DLR). We obtained good agreement between the simulation and experimental results. The observed deformation of the structure was found to locally increase the wall heat flux by up to 40%.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/186677/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Coupled Simulation of Hypersonic Fluid-Structure Interaction with Plastic Deformation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Martin, KatharinaIFAM RWTH AachenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Daub, DennisDennis.Daub (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6030-698XNICHT SPEZIFIZIERT
Esser, BurkardBurkard.Esser (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gülhan, AliAli.Guelhan (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reese, StefanieIFAM RWTH AachenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Juni 2022
Erschienen in:AIAA Journal
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:60
DOI:10.2514/1.J060561
Seitenbereich:Seiten 3424-3437
Verlag:American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA)
ISSN:0001-1452
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Fluid-Structure Interaction, FSI, Hypersonic Flow, Buckling, Plastic Deformation, Coupled Simulation, Modelling, Metallic TPS, Wind Tunnel Experiment, L3K, High-Enthalpy Flow
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Raumtransport
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RP - Raumtransport
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Wiederverwendbare Raumfahrtsysteme und Antriebstechnologie
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Über- und Hyperschalltechnologien, KP
Hinterlegt von: Daub, Dennis
Hinterlegt am:09 Sep 2022 10:30
Letzte Änderung:09 Sep 2022 10:30

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