Modellierung und Simulation von einphasigen, turbulenten Freistrahlen in unter- und transkritischen Umgebungen für Raketenanwendungen

Abstract

Weil der Verbrennungsdruck in der Schubkammer moderner Raketentriebwerke den thermodynamisch kritischen Druck der Brennstoffkomponenten häufg übersteigt und solche Vorgänge physikalisch noch sehr unverstanden sind, ist das Interesse an CFDSimulationen für transkritische Einspritzungen als Ergänzung zu experimentellen Untersuchungen sehr groß. Der einfache Freistrahl gilt dafür als grundlegendes Basismodell, an dem die physikalischen und thermodynamischen Unterschiede und Besonderheiten zwischen Freistrahlen mit Idealgas- und Realgasmodellierung genauer untersucht werden können. In dieser Arbeit werden drei besondere Formen des Freistrahls - der Idealgasfreistrahl mit konstanter bzw. variabler Dichte und der Realgasstrahl - sowohl theoretisch als auch mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik unter Verwendung des DLR τ-Code mit verschiedenen Turbulenzmodellen eingehend analysiert und mit Referenzdaten aus Experimenten verglichen. Anschließend werden diese Ergebnisse gegenübergestellt, um die auffälligsten Unterschiede und Besonderheiten, die es zwischen diesen drei Arten von Freistrahlen gibt, herauszustellen. Die theoretischen Ansätze und numerischen Simulationen zeigen für den Idealgasstrahl eine sehr gute Übereinstimmung mit den Referenzdaten, während die CFDRechnungen für den transkritischen Freistrahl im τ-Code einige wichtige Charakteristika des transkritischen Freistrahls zumindest qualitativ reproduzieren können. Der direkte Vergleich von Ideal- und Realgasfreistrahlen führte zu dem Ergebnis, dass die thermische Struktur des Strahls eine große Abhängigkeit vom thermodynamischen Zustand aufzeigt, während die dynamische Struktur weitgehend unabhängig davon ist. Die in dieser Arbeit erbrachten Erkenntnisse verdeutlichen, dass die einfache, physikalische Modellierung mit den Freistrahltheorien eine solide Grundlage zur Abschätzung von Freistrahlströmungen unter Ideal- und Realgasbedingungen bilden. Die numerische Simulation transkritischer Freistrahlen im τ-Code kann mit den Ergebnissen dieser Arbeit weiterentwickelt werden und die unterschiedlichen Abhängigkeiten von thermischer und dynamischer Struktur von transkritischen Freistrahlen bieten sich überdies als weiterführendes, grundlegendes Forschungsthema an.