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Numerical and experimental investigations of pseudo-shock systems in a planar nozzle: impact of bypass mass flow due to narrow gaps

Giglmaier, Marcus und Quaatz, Jan Frederik und Gawehn, Thomas und Gülhan, Ali und Adams, N. A. (2014) Numerical and experimental investigations of pseudo-shock systems in a planar nozzle: impact of bypass mass flow due to narrow gaps. Shock Waves, 24 (2), Seiten 139-156. Springer. doi: 10.1007/s00193-013-0475-2. ISSN 0938-1287.

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Offizielle URL: http://dx.doi.org/10.1007/s00193-013-0475-2

Kurzfassung

During previous investigations on pseudo-shock systems, we have observed reproducible differences between measurement and simulations for the pressure distribution as well as for size and shape of the pseudo-shock system. A systematic analysis of the deviations leads to the conclusion that small gaps of Δz=O(10 −4 ) m between quartz glass side walls and metal contour of the test section are responsible for this mismatch. This paper describes a targeted experimental and numerical study of the bypass mass flow within these gaps and its interaction with the main flow. In detail, we analyze how the pressure distribution within the channel as well as the size, shape and oscillation of the pseudo-shock system are affected by the gap size. Numerical simulations are performed to display the flow inside the gaps and to reproduce and explain the experimental results. Numerical and experimental schlieren images of the pseudo-shock system are in good agreement and show that especially the structure of the primary shock is significantly altered by the presence of small gaps. Extensive unsteady flow simulations of the geometry with gaps reveal that the shear layer between subsonic gap flow and supersonic core flow is subject to a Kelvin–Helmholtz instability resulting in small pressure fluctuations. This leads to a shock oscillation with a frequency of f=O(10 5 )s −1 . The corresponding time scale τ (s) is 16 times higher than the characteristic time scale τ δ =δ/U ∞ of the boundary layer given by the ratio of the boundary layer thickness δ directly ahead of the shock and the undisturbed free stream velocity U ∞ . To assess the reliability of our numerical investigations, the paper includes a grid study as well as an extensive comparison of several RANS turbulence models and their impact on the predicted shape of pseudo-shock systems.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/88387/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:Online erschienen am 19. Oktober 2013
Titel:Numerical and experimental investigations of pseudo-shock systems in a planar nozzle: impact of bypass mass flow due to narrow gaps
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Giglmaier, MarcusTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Quaatz, Jan FrederikTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gawehn, ThomasThomas.Gawehn (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1628-0062NICHT SPEZIFIZIERT
Gülhan, AliAli.Guelhan (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4905-5881NICHT SPEZIFIZIERT
Adams, N. A.TU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 März 2014
Erschienen in:Shock Waves
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:24
DOI:10.1007/s00193-013-0475-2
Seitenbereich:Seiten 139-156
Verlag:Springer
ISSN:0938-1287
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Pseudo-shock system Shock oscillation CFD Shock wave–turbulent boundary layer interaction
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Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Über- und Hyperschalltechnologien, KP
Hinterlegt von: Gawehn, Dr.-Ing. Thomas
Hinterlegt am:25 Mär 2014 08:52
Letzte Änderung:13 Dez 2022 14:29

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