Numerical Investigation of the Performance of a Scramjet Intake Model

Kurzfassung

Das Strömungsfeld in und um das Windkanal-Modell des LAPCAT II scramjet Einlaufs wurde mit dem DLR TAU-Code numerisch untersucht. Der Einlauf wurde simuliert für Strömungsverhältnisse gleich denen im Windkanal H2K, d.h. für einen Machzahl-Bereich von Mach 5,3 bis Mach 8,7 mit einem Einheits-Reynolds-zahl-Bereich von 3 bis 20 Millionen pro Meter Länge. Die Untersuchung wurde für On- und Off-Design Bedingungen, d.h. für verschiedene Anstellwinkel und Schiebewinkel durchgeführt. Zusätzlich wurde der Einlauf bzgl. verschiedener innerer Kontraktionsverhältnisse, d.h. für verschiedene Haubenpositionen, im Hinblick auf das Startverhalten und die Gesamtleistung untersucht. Weiterhin wurde ein Absaugekanal implementiert der die Grenzschichtablösung minimieren soll, und dessen Einfluss auf das Startverhalten studiert. Das Ziel dieser Arbeit war, die experimentelle Untersuchung des Einlaufs durch CFD-Simulation zu unterstützen. Die Strömungssimulation ermöglicht hier ein besseres Verständnis des Strömungsfeldes des 3D Stromliniengeformten Einlaufs mit annähernd elliptischem Querschnitt. Ein zweites Ziel war es, eine optimale Position der Haube unter Berücksichtigung aller Strömungsverhältnisse zu ermitteln. Die Leistungseigenschaften des Einlaufs wurden-durch Auswertung des Massenstroms, des Totaldruckrückgewinns, des statischen Druckverhältnisses und der Machzahl an verschiedenen axialen Positionen des Einlaufs bewertet. Dabei wurde der gewichtete Durchschnittsimpuls pro Flächeneinheit herangezogen um die 1D Parameter zu berechnen. Die Ergebnisse wurden aus den numerischen Schlierenbildern, Stromlinien, Strömungskonturen und aus der umfassenden Datenbank von Oberflächen- und Strömungsfeld-Parametern interpretiert. Bei niedrigen Reynoldszahlen ergaben die Simulationen ein blockieren des Einlaufs für alle Machzahlen, selbst bei der niedrigsten inneren Verdichtung, d.h. bei Haubenposition 4. Bei hohen Reynoldszahlen startete der Einlauf für alle Mach-zahlen beim niedrigsten Kontraktionsverhältnis, Haubenposition 4. Bis hin zu Haubenposition 2, also einem höheren internen Kontraktionsverhältnis startete der Einlauf für Mach 7. Die Off-Design-Fälle zeigten sich unempfindlich bezüglich des Startverhaltens bei Mach 7, jedoch variierte die Leistung . Bei Mach 5,3 - waren die off Design-Fälle sehr empfindlich betreffend des Startverhaltens. Die Verwendung einer Absaugung ergab ein blockieren des Einlaufs und war nicht in der Lage die abgelöste Grenzschicht bei Mach 5,3 abzusaugen. Die experimentelle Validierung für den On-Design-Fall bei Mach 7 ergab eine gute Übereinstimmung mit den CFD-Ergebnissen, insbesondere hinsichtlich der Ermittlung des statischen Druckes im inneren Durchgang und im Hals (Throat) des Einlaufs. Obwohl keine der untersuchten Haubenpositionen optimale Leistungen bei allen Strömungs-Bedingungen lieferte, wies Haubenposition 4 die besten Leistungseigenschaften hinsichtlich des Startverhaltens und der Leistungsparameter auf.