Strömungscharakterisierung der Hypersonischen Versuchsanlage V2G

Abstract

The increasing interest in hypersonic transportation for both civil and military use results in an increasing demand for hypersonic research facilities. Due to this the DLR decided in 2009 to reactivate the second test section of the hypersonic low-density wind tunnel (V2G) in Göttingen, Germany. Compared to other hypersonic test facilities the V2G is special. While most of the hypersonic wind tunnels were built as shock tubes with short measuring times, the V2G provides the possibility for continuous measurements up to several hours. This wind tunnel is designed similar to a blow down wind tunnel. But instead of a vacuum tank, a multistage system of vacuum pumps is used. For future measurements a set of contoured nozzles is to be used instead of the conical nozzles, which were used in the past. Before actual measurements can be done the flow inside the test chamber has to be known. Therefore a series of stagnation pressure measurements are performed and the heat transfer onto a copper sphere is investigated. These measurements yield the limits for the operating conditions. Within the scope of this thesis, the characterization is done for a contoured nozzle with a design Mach number of M=24. In addition the condensation of the flow inside the test chamber is investigated and compared to the classical theory of Daum and Gyarmathy. Pure nitrogen is used for the investigations, though the V2G can be operated with ambient air. Depending on the used nozzle throat and reservoir conditions (stagnation pressures and temperatures up to 10 MPa respectively 1400°K) the flow can achieve Mach numbers in the range of M=10…24. Mit dem immer größeren Interesse an hypersonischen Transportmitteln, sowohl von ziviler als auch von militärischer Seite, ist auch der Bedarf an Versuchsanlagen für diesen speziellen Strömungsbereich gestiegen. Aus diesem Grund wurde 2009 die zweite Messstrecke der hypersonischen Versuchsanlage des DLR Göttingen (V2G) reaktiviert. Im Vergleich mit anderen Hyperschallwindkanälen ist die V2G eine Besonderheit. Die meisten der Hyperschallwindkanäle sind als Stoßrohr ausgeführt und bieten nur kurze Messzeiten. Dem gegenüber sind in der V2G kontinuierliche Messungen über mehrere Stunden möglich. Die Anlage ist ähnlich einem Blow-Down Windkanal ausgeführt mit dem Unterschied, dass das Testgas am Ende der Messstrecke nicht in einen Vakuumtank abgesaugt wird, sondern von einem mehrstufigen Vakuumpumpensystem kontinuierlich abgepumpt und gegen Atmosphäre verdichtet wird. Zukünftig soll anstatt der bisher genutzten konischen konturierte Düsen verwendet werden. Da diese bisher nicht genutzt wurden ist zuvor eine Charakterisierung der Strömung notwendig. In dieser Arbeit wurde dies für die Mach 24 Düse durchgeführt. Dazu wurden das Verhalten des Pitot-Drucks für variierende Ruhetemperaturen untersucht und ausführliche Pitot-Druck-Profile für verschiedene Betriebspunkte vermessen. Zusätzlich wurden Wärmeübergangsmessungen an einer Kupferkugel durchgeführt. Daraus werden die Grenzen des Betriebs- und des Messbereichs abgeleitet. Insbesondere die Kondensation des Fluides in der Messkammer wird dabei weitergehend untersucht und mit der gängigen Theorie nach Daum und Gyarmathy verglichen. Die V2G wird mit reinem Stickstoff betrieben, aber es kann auch Umgebungsluft genutzt werden. Je nachdem welcher Düsenhalsdurchmesser verwendet wird, können bei Ruhedrücken bis zu 100 bar und Ruhetemperaturen bis 1400°K Strömungsgeschwindigkeiten von M=10…24 erreicht werden.