Experimental Investigation of Particle-Induced Heating Augmentation in Supersonic Flows

Abstract

Partikel-beladene Überschallströmungen haben signifikante Aufheizungseffekte auf Proben sowie auf Raumtransportsysteme. Diese Aufheizungseffekte werden in der Fachwelt „particle-induced heating augmentation“ (Aufheizungsverstärkung durch Partikel) genannt. Die Modellierung und die Vorhersage solcher Effekte ist nach dem aktuellen Stand der Technik komplex und basiert lediglich auf eine geringe Anzahl an Experimenten. Um diese Datenbank zu erweitern wurden neuartige Versuche durchgeführt. Hierzu wurde zunächst eine kleine Versuchswindkanalanlage konzipiert, aufgebaut und charakterisiert. Es wurden optische nicht-intrusive Messtechniken weiterentwickelt, die es ermöglichen, einzelne Partikel vor und innerhalb der Stoßschicht individuell zu untersuchen. Diese Weiterentwicklungen konnten nicht nur bisherige Annahmen zum Thema „heating augmentation“ bekräftigen bzw. wiederlegen, sondern können auch die Genauigkeit von Partikeluntersuchungen im Allgemeinen signifikant erhöhen. Dust particles in supersonic flows may cause significant increases of heat flux augmentation. These effects are called ‘particle-induced heat flux augmentation’ or ‘heating augmentation’ in the scientific community. The modelling approaches of these effects are based on a limited database and required several particle-related assumptions, since corresponding experiments are complex. New experiments were conducted to increase the heating augmentation database. A small test facility was conceived, set up, and characterised. Non-intrusive measurement techniques were tested and developed to characterize individual particles in front of- and within the shock layer. The new measurement technique developments were able to underline and to refute assumptions regarding heating augmentation. Furthermore, these developments improve significantly the accuracy of particle flux investigations in general.