Skalenauflösende Simulation der Flammen-Akustik-Wechselwirkung bei resonanter und nicht-resonanter Anregung in einer Experimental-Raketenbrennkammer

Abstract

Verbrennungsinstabilitäten in Raketenbrennkammern stellen seit Beginn des Raumfahrtzeitalters eine große Herausforderung bei der Entwicklung neuer Antriebe dar, weil der genaue Mechanismus ihrer Entstehung bis heute nicht vollständig verstanden ist. Einen wichtigen Teilaspekt bei der Entstehung von Verbrennungsinstabilitäten stellt die Wechselwirkung zwischen der Flamme und den akustischen Brennkammereigenmoden dar, die in dieser Dissertation für eine Experimentalbrennkammer numerisch untersucht wird. In dieser Arbeit wird der DLR Strömungslöser TAU zur skalenauflösenden Simulation eines Lastpunkts von Brennkammer H (BKH) des DLR Lampoldshausen verwendet, bei dem sowohl Treibstoff als auch Oxidator unter kryogenen Bedingungen eingespritzt werden. Zu diesem Zweck wurde das TAU Verfahren um ein Realgas Flameletverbrennungsmodell erweitert, das eine effiziente Behandlung der chemischen Reaktionen erlaubt. Weiterhin wurden die Dissipationseigenschaften des numerischen Verfahrens eingehend untersucht und die Anwendbarkeit von Upwind-Flusslösern für skalenauflösende Simulationen diskutiert. Ein weiterer Aspekt ist die Analyse der akustischen Eigenschaften des TAU-Codes und der Randbedingungen, die dann zur gezielten Untersuchung der Kopplung von Brennkammer- und Injektoreigenmoden verwendet wurden. Diese Arbeit präsentiert Resultate mehrerer Detached-Eddy Simulationen (DES) der Strömung in BKH bei verschiedenen Anregungszuständen und vergleicht sie mit experimentellen Daten. Die Simulationsergebnisse bei nicht-resonanter Anregung durch eine Sirene weichen weniger als 2.1 % von den experimentellen Brennkammereigenfrequenzen ab. Allerdings wird in der Simulation die instationäre Anregung durch die Sirene überschätzt, was auf Modellannahmen der numerischen Konfiguration zurückgeführt wird. Die Ergebnisse einer resonant angeregten Simulation und eines Impulsantwort-Tests zeigen eine Verschiebung der Brennkammereigenfrequenzen, die bereits in früheren experimentellen Studien von BKH beobachtet wurde. Die Positionen der verschobenen Frequenzen stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Darüber hinaus zeigen die Simulationsergebnisse der resonanten Anregungen eine starke Schwankung des mittleren Brennkammerdrucks, die im Experiment nicht zu beobachten war. Dieser Unterschied wird durch das abrupte Anschalten der Sirene in der Simulation erklärt, was zu einer niederfrequenten Modulation der Einströmbedingungen führt. Zum Schluss dieser Arbeit wird durch gezielte Modifikation des Sauerstoffinjektors eine Kopplung zwischen Injektor- und Brennkammereigenmoden künstlich herbeigeführt, die sich in früheren Untersuchungen als notwendige Bedingung für die Entstehung von Verbrennungsinstabilitäten herausgestellt hatte. Anhand der instationären Druckdaten wird gezeigt, dass zwar eine erfolgreiche Modenkopplung erreicht werden konnte, darüber hinaus aber kein signifikanter Einfluss auf die Brennkammermoden beobachtbar war.