Einfluss einer Heckklappe auf die Düsenströmung im Hyperschall

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt Untersuchungen des Strömungsfelds an einer ebenen SERN-Düse. Im Vordergrund steht dabei neben dem Düsenströmungsfeld vor allem die Umströmung der Heckklappe und die dort auftretende Grenzschicht- Ablösung der Außenströmung. Das Ziel der Arbeit ist, durch ein besseres Verständnis der beiden interagierenden Strömungsfelder und durch eine aerodynamisch günstigere geometrische Gestaltung der Heckklappe die Düsenleistungen zu verbessern. Dies beinhaltet insbesondere eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Düse durch Steigerung des axialen Schubbeiwertes sowie eine Verringerung der im Transschall auftretenden Drehung des Schubvektors. Zur Untersuchung der Strömung dienen zweidimensionale numerische Strömungssimulationen und Windkanalexperimente im Hyperschallwindkanal H2K des DLR in Köln. Die Lage der Ablösung an der Heckklappe wird dabei in Abhängigkeit von der Reynoldszahl und vom Düsendruckverhältnis ermittelt und darauf aufbauend ein (geometrieabhängiges) Kriterium zur Vorhersage des Ablösepunktes in Abhängigkeit vom statischen Druck am Ablösepunkt hergeleitet. Es wird vermutet, dass ähnliche Kriterien für andere Düsengeometrien existieren. Weiterhin wird die Auswirkung der dreidimensionalen Eckenströmung an einer stromauf der Heckklappe gelegenen Ecke genauer analysiert. Es zeigt sich dabei ein starker Einfluss der Reynoldszahl. Die in Konfigurationsuntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zur Klappengestaltung werden auf die Raumtransportkonfiguration ELAC des Sonderforschungsbereichs 253 angewandt und so eine verbesserte Heckklappe ausgelegt. Numerische Simulationen bestätigen im untersuchten Geschwindigkeitsbereich zwischen Ma = 1,23 und Ma = 7 eine deutliche Verbesserung des Schubs und der Drehung des Schubvektors gegenüber der ursprünglichen ELAC-Düse. Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen befasst sich mit der Veränderung des Düsenströmungsfeldes im Falle einer aufgeheizten Düsenströmung. Im Vordergrund stehen dabei Auswirkungen von Temperatureffekten bei Strahltemperaturen bis zu 1000 K, wie z.B. der Veränderung der Viskosität und der Änderung des Verhältnisses der spezifischen Wärmen. Mit steigender Temperatur ergibt sich bei gleich bleibendem Düsendruckverhältnis eine veränderte Lage der Stöße stromab der Düse sowie eine Aufweitung der Strahlglocke. Weiterhin steigt der statische Druck auf der Expansionsrampe. Der Druckgewinn liegt dabei über dem aufgrund des niedrigeren Verhältnisses der spezifischen Wärmen zu erwartenden Gewinn, so dass auch der axiale Schubbeiwert der Düse steigt. Stichworte: