Numerische Untersuchung des Einflusses von Randbedingungen auf die injektornahe CH4-02 Flamme in Raketenbrennkammern

Kurzfassung

Die Treibstoffkombination LOX / Methan erweist sich aufgrund diverser Vorteile als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Treibstoffen in aktuellen und zukünftigen Entwicklungen von flüssigen Raketentriebwerken. Als Beispiel für eine solche Entwicklung ist das Haupt- und Oberstufentriebwerk Prometheus in der 100 t Schubklasse zu nennen. Bei der Verwendung von Methan als Raketentreibstoff bleiben einige Phänomene wie zum Beispiel die Flammenstabilisierung und die Einspritzung eine Herausforderung. Um die Einflussfaktoren auf die injektornahe Flamme numerisch zu untersuchen, werden im Rahmen dieser Thesis Randbedingungen an einer exemplarischen Koaxialinjektorgeometrie variiert. Dabei wird der DLR Strömungslöser TAU genutzt, um 2D RANS (Reynoldes Averaged Navier Stokes) Simulationen einer abgeleiteten HF-10 [1] Injektorgeometrie durchzuführen. Zu Beginn der Arbeit wird das Rechennetz ermittelt und dessen Gestaltung quer und längs zur Hauptströmungsrichtung untersucht. Weiter werden Variationen der Injektoreinlauflängen durchgeführt, um den Einfluss unterschiedlich turbulent ausgeprägter Strömungsprofile auf die Verbrennung beurteilen zu können. Die Simulationsergebnisse mit Variation der Einlauflänge zeigen, dass vor allem die Turbulenz der wandnahen Strömung einen Einfluss auf die Flamme ausübt. Im Weiteren ergibt die Variation des Brennkammerdrucks, dass die injektornahe Flamme entscheidend durch die mit der Druckveränderung einhergehende Änderung des Impulsfluss- und Geschwindigkeitsverhältnisses beeinflusst wird. Mit zusätzlicher Anpassung der Massenströme beeinflussen neben dem Impulsfluss und Geschwindigkeitsverhältnis weitere Effekte die Simulationsergebnisse. Die Anpassung der Injektorwandtemperaturen ergibt, dass der Einfluss des Wärmestroms an der Injektorstirnfläche (LOX-Post tip) auf die Massenströme der Treibstoffkomponenten vernachlässigbar ist. Weiter wird die LOX-Post Dicke variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Rückströmgebiet nach dem LOX-Post tip mit der Dicke des LOX-Posts skaliert. Bei dünnerem LOX-Post wird die Flamme unter Zwang beider Massenströme eingeengt und verschoben. Die Intensität der Turbulenz erhöht sich dabei vor allem im hinteren Simulationsraum. Die Variation der druckangepassten Flamelettabellen ergibt, dass eine bei hohen Drücken erstellte Flamelettabelle in einem breiten Druckbereich gute Simulationsergebnisse liefert. Bei der Variation der Berechnung der laminaren Transportkoeffizienten zeigt sich, dass sich die Simulationsdauer bei von TAU berechneten Werten um 52 % gegenüber vortabellierten Werten erhöht.